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 u 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 mô-đun. Phần tiếp theo sẽ trình bày giải pháp đề xuất và chứng minh bằng mơ 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 rị 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 khơng cùng nằm trên một mơ-đun như hình 3.8 mà nó nằm trên hai mô-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 còn 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, không 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 mơ 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 yêu 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 mơ phỏng thể hiện trên hình 3.12, cùng với chất lượng hiệu chuẩn được nâng cao đáng kể thể hiện trên hình 3.14 đã minh chứng tính đúng đắn của đề xuất. Từ đó cho thấy, giải pháp đề xuất giảm đáng kể yêu cầu khả năng cách ly cao của các tín hiệu trong các MĐTP, nó có ý nghĩa lớn trong việc thiết kế kỹ thuật và công nghệ.
Từ các kết quả nghiên cứu giải quyết hai vấn đề quan trọng tại chương 2 và 3; việc tổng hợp các thuật tốn và chu trình hiệu chuẩn, đồng thời kiểm chứng các kết quả nghiên cứu trên thiết bị thực có ý nghĩa quan trọng. Nội dung này sẽ được trình bày tại chương 4.
83
Chương 4
TỔNG HỢP CÁC THUẬT TỐN VÀ CHU TRÌNH HIỆU CHUẨN NỘI THỜI GIAN THỰC KÊNH THU HỆ THỐNG AMPS
Những khía cạnh khác nhau của bài toán đo, ước lượng sai lệch và hiệu chuẩn nội TGT kênh thu hệ thống AMPS như: cấu trúc và tham số THHC; phân tích, đánh giá định lượng tác động qua lại giữa hoạt động của quá trình hình thành GĐH, q trình xử lý tín hiệu thu với hoạt động của hệ con hiệu chuẩn tích hợp đã được trình bày trong chương 2 và 3. Để hoàn thiện, vấn đề đặt ra là cần phải tổng hợp chúng thành các thuật tốn và chu trình hiệu chuẩn hồn chỉnh khi triển khai trên thiết bị thực, nhằm phản ánh tồn bộ tính mới đã được nghiên cứu của luận án.
Việc kiểm tra, đánh giá các kết quả nghiên cứu theo cách tiếp cận đề xuất cũng sẽ được thực nghiệm trên mơ hình AMPS cỡ nhỏ gồm bốn MĐTP. Tất cả những nội dung này sẽ được trình bày trong Chương 4. Các kết quả trình bày trong chương đã được cơng bố trong cơng trình [CT4] của tác giả.
4.1. Tổng hợp thuật toán ước lượng tham số đo và chu trình hiệu chuẩn Ước lượng tham số đo và hiệu chuẩn kênh thu được thực hiện hoàn toàn Ước lượng tham số đo và hiệu chuẩn kênh thu được thực hiện hoàn toàn trên miền số ở khối “Đo và hiệu chuẩn” trên mảng xử lý trung tâm đã chỉ ra trên hình 2.1. Theo đó, tín hiệu trung tần IF sau khi được giải điều chế số ở khối DDC sẽ được đưa tới khối “Đo và hiệu chuẩn” có sơ đồ cấu trúc như trên hình 4.1.
HC i
I / Q I / Qi
84
Khối này được thiết kế một cách linh hoạt để ước lượng sai số và thực hiện các chu trình hiệu chuẩn tĩnh và hiệu chuẩn động, sẽ được trình bày chi tiết ở các mục dưới đây.
4.1.1. Thuật toán ước lượng tham số đo
THHC đưa tới đầu vào kênh thu là tín hiệu RF được điều chế bởi mã BPSK và OOK. Sau khi được chuyển phổ xuống tín hiệu phức băng gốc, hai mã này phải được đồng bộ chính xác theo thời gian bởi khối DDC khi THHC truyền qua kênh thu. Kết quả được thể hiện trên hình 4.2.
Hình 4.2. Minh họa THHC sau DDC đồng bộ với mã BPSK và OOK
Việc ước lượng các tham số pha và biên độ kênh thu được thực hiện trên THHC theo nguyên lý xử lý tương quan. THHC sẽ được lấy mẫu đồng bộ với mã OOK; được tích lũy N xung có tương quan với mã pha BPSK. Sau khi tích lũy đủ N xung, giá trị số phức sẽ được chốt và ước lượng pha/biên độ (phản ánh trung thực những sai lệch do các phần tử gây ra trên đường truyền của kênh thu). Dữ liệu của hai tham số này sẽ được sử dụng cho quá trình hiệu chuẩn tĩnh và hiệu chuẩn động (được trình bày ở mục sau). Sơ đồ khối mô-đun “Ước lượng tham số đo” thể hiện trên hình 4.3.
i R
85
“Bộ đệm và tích lũy N xung” trong thành phần của mô-đun “Ước lượng
tham số đo” thể hiện trên hình 4.4. Theo lý thuyết xử lý tương quan, chuỗi mã BPSK C(n) được đồng bộ với chuỗi mẫu THHC, nên mô đun “Nhân tương
quan” thực chất là phép đổi dấu theo chuỗi C(n) = ±1 để các mẫu THHC cùng dấu và đó chính là ngun lý làm việc của các mạch lọc nén tín hiệu theo thời gian trong ra đa [62]. Như đã đề xuất, để đảm bảo chất lượng đo, cần phải có bộ phát hiện và loại bỏ các mẫu có tín hiệu thu về lớn. Trong sơ đồ, “Bộ đệm và tích lũy N xung” được tích hợp thêm chức năng đó với mơ-đun “Phát hiện tín hiệu thu lớn” có sơ đồ ngun lý trên hình 4.5.
1
Hình 4.4. Nguyên lý làm việc “Bộ đệm và tích lũy N xung”
Hình 4.5. Ngun lý mơ-đun “Phát hiện tín hiệu thu lớn”
Như trên hình 4.5, nguyên lý hoạt động của mơ-đun này như sau: Đầu vào là tín hiệu sau DDC, được chia làm hai nhánh cho hai mô đun “Đo công suất nội tạp” và “Đo công suất kênh thu”. Công suất nội tạp tương đối ổn định nên