Chu trình hiệu chuẩn tĩnh thể hiện qua các bước đo, ước lượng hệ số hiệu chuẩn tĩnh như sau:
+ Bước 1: Đo các tham số kênh thu khi chỉ cấp tín hiệu tham chiếu tới đầu vào MĐTP qua bộ chia công suất 1:N, mô-đun “Ước lượng tham số đo” đo được các tham số sau:
, r r i ref i i j ref j j R k a k R k a k (4.1) / ( ) / ( ) r r r ij i j i i j j F R R a k a k (4.2)
90
+ Bước 2: Đo các tham số kênh thu khi chỉ cấp THHC theo đường hiệu
chuẩn chuyên dụng, mô-đun “Ước lượng tham số đo” đo được các tham số sau đây: , r r i in i i j in j j R k k k R k k k (4.3) / ( ) / ( ) r r r ij i j i i j j K R R k k k k (4.4) + Bước 3: Ước lượng hệ số tĩnh
Từ hai biểu thức (4.2) và (4.4) ta tính được hệ số tĩnh Kij như sau:
/ ( ) / ( )
r r
ij ij ij i j j i
K F K a k a k (4.5) Sau hiệu chuẩn tĩnh, với N kênh thu, ta thu được (N-1) hệ số tĩnh K1 (j j 2 N)
so với kênh chuẩn (kênh 1), các hệ số này được lưu vào bộ nhớ để bù khi hiệu chuẩn động:
1 (j j 2 N) ( 1 j) / ( j 1)
K a k a k (4.6) Hệ số tĩnh K1 (j j 2 N) thu được khi hiệu chuẩn hệ thống tại phịng thí nghiệm, sau xuất xưởng, hoặc sau sửa chữa lớn. Các hệ số này thể hiện mối quan hệ của các phần tử thụ động như các cáp nối, các chuyển mạch, các bộ chia công suất, các mạch ghép, các chấn tử ăng ten v.v. Các phần tử này được coi là có tham số khơng đổi và ổn định trong một thời gian dài. Cần chú ý, khi có sự hỏng hóc hay thay thế các phần tử này thì quá trình hiệu chuẩn tĩnh phải được thực hiện lại từ đầu [31].
Từ những phân tích trên, có thể tổng hợp thành lược đồ thuật tốn tổng qt q trình đo, ước lượng các hệ số hiệu chuẩn tĩnh như trên hình 4.11.
91 1 | r j ref j j j N R k a k 1rj 1/ j ( 1 1r) / ( j rj) F R R a k a k 1rj|j 2 N F 1 r j F 1 | r j in j j j N R k k k 1rj|j 2 N K 1r 1/ ( 1 1r) / ( r) j j j j K R R k k k k 1 (j j 2 N) K 1 1r / 1r ( 1 ) / ( 1) j j j j j K F K a k a k 1 (j j 2 N) K
Hình 4.11. Lược đồ thuật tốn tổng qt chu trình hiệu chuẩn tĩnh 4.1.2.2. Chu trình hiệu chuẩn động.
Hiệu chuẩn động là để bù các sai số biên độ và pha của các linh kiện tích cực trong q trình hệ thống hoạt động. THHC sẽ được cấp theo đường hiệu chuẩn chuyên dụng liên tục, song song cùng với quá trình thu và xử lý tín hiệu. Giả sử theo thời gian các hàm truyền của tuyến thu thay đổi, các tham số thay đổi ký hiệu thêm là dấu (’). Sơ đồ kết nối hệ thống như trên hình 4.12.
' i R ' j R ' r i k ' r j k i k j k in k Ă n g t en i a j a ij K ' r ij F ' r ij F D D C i D D C j … … .
Hình 4.12. Sơ đồ kết nối khi hiệu chuẩn động
Chu trình hiệu chuẩn động được thể hiện qua các bước đo, ước lượng hệ số hiệu chuẩn động như sau:
92
+ Bước 1: Cấp THHC cho các kênh thu chỉ theo đường hiệu chuẩn chuyên dụng, mô-đun “Ước lượng tham số đo” đo được các tham số sau:
' ' ' ' , r r i in i i j in j j R k k k R k k k (4.7) ' ' ' ' ' / ( ) / ( ) r r r ij i j i i j j K R R k k k k (4.8)
+ Bước 2: Ước lượng hệ số hiệu chuẩn động. Từ hai biểu thức (4.6) và (4.8) ta tính được hệ số hiệu chuẩn động Fijr' như sau:
' ' ' '
( ) / ( )
r r r r
ij ij ij i i j j
F K K a k a k (4.9)
Như vậy, ta sẽ có được (N-1) hệ số hiệu chuẩn động. Các hệ số này lấy kênh 1 làm kênh chuẩn, có dạng sau:
' ' '
1 (rj j 2 N) ( 1 1r ) / ( j rj )
F a k a k (4.10)
+ Bước 3: Tiến hành hiệu chuẩn các kênh thu
Hệ số F1 (rj j' 2 N) được sử dụng để hiệu chuẩn các kênh thu khi hệ thống đang làm việc. Gọi tín hiệu thu phức trước khi hiệu chuẩn là SDDCj j( 1 N), tín hiệu phức sau khi hiệu chuẩn là SDDHCCj j( 1 N) được tính theo biểu thức sau:
'
DD ( 2 ) DD ( 2 ) 1 ( 2 )
HC r
Cj j N Cj j N j j N
S S F (4.11)
Sau bước này, tất cả tín hiệu các kênh thu được đồng bộ pha và biên độ theo kênh thu 1 trước khi đưa vào bộ tạo tổng hợp GĐH. Thật vậy, ký hiệu
'
( 2 )
j j N
R và RHCj j( 2 N) - tương ứng là các tham số tín hiệu trước và sau khi hiệu chuẩn. Biến đổi theo biểu thức (4.11) ta có:
' ' ' ' ' '
1 ( 1/ ) 1
HC r
j j j j j
R R F R R R R (4.12) Vậy tham số các kênh đều giống với kênh 1. Từ những phân tích trên, ta có lưu đồ thuật tốn tính tốn các hệ số và thực hiện quá trình hiệu chuẩn động như trên hình 4.13.
93 1 (j j 2 N) K ' 1rj |j 2 N K ' ' ' ' ' 1rj 1/ j ( 1 1r ) / ( j rj ) K R R k k k k ' ' 1 | r j in j j j N R k k k ' DD ( 2 ) DD ( 2 ) 1 ( 2 ) HC r Cj j N Cj j N j j N S S F ' 1rj |j 2 N F ' ' ' ' 1rj 1rj 1j ( 1 1r ) / ( j rj ) F K K a k a k
Hình 4.13. Lược đồ thuật tốn chu trình hiệu chuẩn động
4.1.3. Nhận xét
Trong phần này, thuật toán ước lượng tham số kênh thu đã được trình bày cụ thể cùng với các chu trình hồn chỉnh được thực hiện theo từng bước rõ ràng, tường mình, thuận tiện cho việc lập trình và xử lý.
Để đảm bảo tối ưu trong việc sử dụng tài ngun, q trình cộng tích lũy tương quan được thực hiện song song với quá trình lấy mẫu. Cách làm này sẽ tốn ít tài nguyên do chỉ sử dụng hai thanh ghi đệm đủ lớn và một bộ cộng. Cùng với việc sử dụng các mã điều biên OOK cũng làm cho số lượng xung cần tích lũy giảm đáng kể (giảm 1/D lần) so với giải pháp tương tự. Đây chính là ưu điểm của giải pháp sử dụng cấu trúc THHC đa điều chế như đã đề xuất, cụ thể như sau:
+ Với giải pháp phân chia theo tần số [5, 23-26] cần sử dụng tài nguyên khá lớn để vừa lọc tín hiệu dải hẹp, vừa lưu trữ để xử lý chuỗi tín hiệu đơn hài, cộng với việc sử dụng các core chuyên dụng cho FIR, FFT để thực hiện các phép đo.
94
+ Với giải pháp phân chia theo mã như cơng trình [34, 81] thì số xung tích lũy lớn gấp 1/D lần trong cùng điều kiện với giải pháp đề xuất. Cụ thể, khi xét hai giải pháp cùng yêu cầu về hiệu quả hiệu chuẩn: sai số pha và biên độ nhỏ hơn 0.1o và 0.015dB, mức tăng công suất nhiễu 0.07dB (với giải pháp đề xuất thì D = 1/64, giải pháp [34] thì cơng suất THHC nhỏ hơn 64 lần nội tạp). Với yêu cầu này, theo hình 2.12 và 2.13, ta có số xung N cần tích theo giải pháp
đề xuất là 25·6·104 (< 221), theo giải pháp [34] là 64·25·6·104 (< 227). Giả sử cả hai giải pháp cùng sử dụng giải pháp cơng tích lũy N xung như thuật toán
“Ước lượng tham số đo” đã trình bày ở trên, với dữ liệu đầu vào có độ rộng 8 bít, đầu ra 16 bít. Do số lượng xung cần tích lũy khác nhau nên các thanh ghi công dữ liệu và đếm số xung cũng khác nhau (thể hiện trên hình 4.14).
Hình 4.14. Sơ đồ tích lũy mẫu THHC (a) theo đề xuất , b) theo [34])
Sử dụng FPGA với dòng XC7A200T-2SBG484 để tổng hợp chương trình, tài ngun sử dụng để cơng tích lũy của hai giải pháp được thể hiện trên bảng 4.1, cho thấy tài nguyên sử dụng theo giải pháp đề xuất nhỏ hơn. Với những hệ thống lớn thì ưu điểm này là rất quan trọng.
Bảng 4.1. Bảng so sánh tài nguyên số để tích lũy mẫu THHC
STT Số Slice Registers Số Slice LUTs Số cặp LUT- FF Số IOBs Giải pháp đề xuất 80 133 75 40 Giải pháp [34] 91 151 91 49
Những phân tích, trình bày chi tiết các thuật tốn và chu trình hiệu chuẩn đã cho thấy ưu điểm của cấu trúc tín hiệu đã nghiên cứu. Đó là: ngun lý đo
95
đơn giản; dễ lập trình phần mềm và tối ưu tài nguyên xử lý. Hơn nữa, nó cho phép thay đổi linh hoạt các tham số THHC theo yêu cầu.
Phần tiếp theo sẽ kiểm nghiệm kết quả hiệu chuẩn với các thuật tốn và chu trình đã tổng hợp trên cơ sở mơ hình thực tế hệ thống AMPS cỡ nhỏ nhằm kiểm nghiệm tính đúng đắn của các kết quả nghiên cứu lý thuyết.
4.2. Thực nghiệm các nội dung nghiên cứu đã đề xuất
Mơ hình thử nghiệm là hệ thống AMPS cỡ nhỏ, với đầy đủ các thành phần cấu thành nên một hệ thống hoàn chỉnh. Hệ thống AMPS gồm bốn kênh thu/phát độc lập có tích hợp hệ con hiệu chuẩn theo cách tiếp cận mới được đề xuất. Các thành phần cấu thành hệ thống được xây dựng, thiết kế, chế tạo và kiểm tra đầy đủ sau khi lắp ráp. Trên cơ sở đó, các thuật tốn và chu trình hiệu chuẩn được xây dựng hoàn thiện từ khi đo đạc, kiểm nghiệm trong phịng thí nghiệm và khi hệ thống đưa vào hoạt động.
4.2.1. Xây dựng mơ hình thực nghiệm
Hình 4.15. Sơ đồ khối hệ thống AMPS thử nghiệm
Các thành phần cơ bản của hệ thống AMPS có tích hợp hệ con hiệu chuẩn nội kênh thu đã được chỉ ra trên sơ đồ khối hình 2.1. Dựa trên các nghiên cứu, đề xuất đã được trình bày trong các chương trước, mơ hình hệ thống được xây dựng với các thành phần cụ thể. Hệ thống gồm bốn kênh thu/phát và hệ con
96
đo kiểm, phần hiển thị và đánh giá kết quả sẽ được bổ sung để phục vụ cho quá trình thử nghiệm. Sơ đồ khối của mơ hình thử nghiệm cụ thể như trên hình 4.15.
Các thành phần chính của hệ thống gồm: Mảng các MĐTP (A), mảng tạo và phân phối tín hiệu (B), mảng biến đổi tín hiệu trung tần IF (C), và mảng xử lý (D). Chi tiết cụ thể từng thành phần được trình bày trong phần phụ lục.
Các thành phần chính của hệ thống AMPS bốn kênh đã được lắp ráp và kiểm tra hoàn chỉnh, từ các thành phần tương tự đến phần số đều cho kết quả theo tính tốn cơ bản như thiết kế ban đầu. Hệ thống sau khi được lắp ráp hồn chỉnh thể hiện trên hình 4.16 dưới đây. Các thành phần chính được chỉ rõ trên hình. Hệ thống được lắp ráp thuận tiện cho việc kiểm tra và đánh giá.
97
4.2.2. Thực hiện các chu trình hiệu chuẩn
Trong quá trình hiệu chuẩn, dao động LO từ máy phát ngoài được sử dụng với tần số 1480 MHz, công suất 18dBm đưa tới mảng tạo và phân phối tín hiệu (B), các tham số đầu ra LO1-4, RF1-4 đã đáp ứng được yêu cầu như thiết kế được chỉ ra trong phần phụ lục bảng B.2. Các chu trình hiệu chuẩn được thực hiện như sau:
4.2.2.1. Thực hiện chu trình hiệu chuẩn tĩnh
Như đã trình bày, chu trình này để đo mối quan hệ các tham số tĩnh. Sơ đồ kết nối được thể hiện như trên hình 4.17.
Hình 4.17. Sơ đồ kết nối thực hiện chu trình hiệu chuẩn tĩnh
Các bước đo thực hiện như sau:
+ Bước 1: Cấp THHC tới đầu vào mỗi kênh thu qua bộ chia công suất 1:4.
Tiến hành đo và tính tốn các tham số F1 (rk k 2 4) (a k1 1r) / ((a kk kr) theo công thức (4.2), ta có được kết quả như trên bảng 4.2.
Bảng 4.2. Đo tham số F1 (rk k 2 4)
Hệ số F12r F13r F14r Chú thích
98
+ Bước 2: Cấp THHC theo đường hiệu chuẩn chuyên dụng. Tiến hành đo
và tính tốn các tham số K1 (rk k 2 4) (k k1 1r) / (k kk kr) theo công thức (4.4), ta có được kết quả như trên bảng 4.3.
Bảng 4.3. Đo tham số K1 (rk k 2 4)
Hệ số K12r K13r K14r Chú thích
Giá trị o
j1
1,1e 0,98ej2o 0,95ej26o Đo ở tần số 1570MHz
Từ đó ta có bảng hệ số hiệu chuẩn tĩnh được tính tốn theo cơng thức tính (4.6) K1 (k k 2 4) F1rk / K1rk (a k1 k) / (a kk 1) như trên bảng 4.4 dưới đây.
Bảng 4.4. Đo tham số K1 (k k 2 4)
Hệ số K12 K13 K14 Chú thích
Giá trị 0,82ej9o 0,87ej3o 1,16ej4o Đo ở tần số 1570MHz
Về nguyên tắc, các hệ số này phải đo trên toàn bộ dải tần làm việc của hệ thống [31] vì ở các dải tần khác nhau thì sai số tĩnh khác nhau do độ dài đường dẫn tín hiệu, tham số chế tạo mạch là khác nhau. Tùy theo yêu cầu, độ chính xác và mức độ sai lệch mà độ lệch của các tần số cần đo được lựa chọn cho phù hợp.
4.2.2.2. Thực hiện chu trình hiệu chuẩn động
Hiệu chuẩn động là sử dụng THHC cấp theo đường hiệu chuẩn chuyên dụng để đo các tham số kênh thu thay đổi trong khi hệ thống đang làm việc. Quá trình này phải thực hiện liên tục cùng với q trình thu. Ta có sơ đồ kết nối thử nghiệm thiết bị ngồi thực địa như trên hình 4.18.
Như trên hình, tín hiệu thu nhận được qua ăng ten từ một máy phát đặt ở trường xa. Ăng ten gồm 4 chấn tử, được chế tạo bằng mạch dải có độ dài là 30cm, vậy trường xa của nó lớn hơn 2m [84] (trong thử nghiệm để xa 6m). Tín hiệu từ máy phát là tín hiệu dao động đơn hài dạng xung để ta có thể dễ
99
dàng quan sát được mỗi quan hệ pha và biên độ của chúng trước và sau khi hiệu chuẩn. Khi hiệu chuẩn động, ta có thể thay đổi một số điều kiện hoạt động để tham số của MĐTP thay đổi. Từ đó kiểm chứng được tính hiệu quả của giải pháp hiệu chuẩn đã đề xuất.
Hình 4.18. Sơ đồ kết nối thử nghiệm chu trình hiệu chuẩn động
Giả sử yêu cầu sai số hiệu chuẩn nhỏ hơn 0,6o và 0,1dB. Vậy số xung cần tích lũy N = 105. Các bước thực hiện chu trình hiệu chuẩn tiến hành như sau:
+ Bước 1: Cấp liên tục THHC theo các đường cấp chuyên dụng, đo các
tham số kênh thay đổi theo biểu thức (3.8) K1 (rj j' 2 4) R1' /R'j.
+ Bước 2: Tính tốn hệ số hiệu chuẩn động theo công thức (3.9)
' '
1 ( 2 4) 1 1
r r
j j j j
F K K
+ Bước 3: Lấy kênh 1 làm chuẩn, hiệu chuẩn các kênh thu theo biểu thức
100
Ba bước nêu trên tương ứng với một chu trình hiệu chuẩn và được lặp lại trong toàn bộ thời gian hoạt động của hệ thống. Quan sát kết quả hiệu chuẩn trên máy tính với giao diện Chipcore được tích hợp trên phần mềm ISE của hãng Xilinx gần tương tự như một chiếc hiện sóng số. Qua quan sát, kết quả thể hiện trên hình 4.19 và hình 4.20 cho thấy các kênh sau hiệu chuẩn có sự cân bằng tốt về pha và biên độ. Để biết chính xác các sai số sau hiệu chuẩn, việc tính tốn quan hệ pha và biên độ của các dao động đơn hài các kênh thu được thực hiện bằng phép biến đổi FFT, kết quả thể hiện trên hình 4.21.
.
101
Hình 4.20. Tín hiệu bốn kênh trước và sau khi hiệu chuẩn
Các kết quả đo thực hiện sau mỗi khoảng thời gian, sai số pha của các kênh 2,3,4 so với kênh 1 là 0.8o, 0,7o, 0,8o, sai số biên độ của các kênh 2,3,4 so với kênh 1 là 0,14dB, 0,12dB, 0,11dB. Dễ thấy sai số khi thử nghiệm lớn hơn yêu cầu ban đầu một lượng nhỏ không nhiều, điều này do nhiều nguyên nhân như sai số tính tốn các hệ số, sai số do lượng tử, sai số do sự khơng hồn hảo của phần cứng v.v. Để giảm sai số ta có thể tăng số điểm tích lũy N.
Hình 4.21. Sai số pha và biên độ sau hiệu chuẩn
Thực hiện tạo GĐH số thu theo các góc khác nhau sau khi hiệu chuẩn, so sánh với GĐH hướng mô phỏng ta có kết quả như trên hình 4.22. Các GĐH được hình thành ở các góc 0o, ±10o, ±20o, ±30o, ±40o. Kết quả thực nghiệm