STT Tên hệ thống Loại hệ thống Dải tần làm việc
Sai số của GĐH 1 Ra đa P37 Ra đa cảnh giới -
dẫn đường Băng S 1,0
o
2 Ra đa VRS Ra đa cảnh giới Băng L 1,5o 3 Ra đa MP302 Ra đa cảnh giới Băng S 0,75o 4 Ra đa 3C25E Ra đa cảnh giới và
chỉ thị hỏa lực Băng X 0,25
o
5 Ra đa MR123 Ra đa chỉ thị hỏa
lực Băng X 0,3
o
6 Ra đa SON-9A Ra đa điều khiển
hỏa lực Băng X 0,1
o
7 Ra đa EL/M - 2084
Ra đa điều khiển
hỏa lực Băng X 0,03
o
8 Mạng 5G dải
tần 28 GHz [5] Mạng 5G 28 GHz 1,0
59
Mỗi hệ thống với chức năng khác nhau thì có u cầu về sai số GĐH khác nhau. Thông thường các hệ thống ra đa cảnh giới - dẫn đường có độ rộng búp sóng lớn và sai số GĐH lớn (1o ÷ 2o), các hệ thống ra đa điều khiển hỏa lực có búp sóng dạng kim và yêu cầu sai số GĐH rất nhỏ (0,03o ÷ 0,1o). Theo cơng thức (1.6) về mối quan hệ giữa sai số pha từng kênh với sai số GĐH cho thấy, các hệ thống ra đa cảnh giới - dẫn đường yêu cầu sai số pha các kênh nhỏ hơn khoảng 6o, các hệ thống ra đa điều khiển hỏa lực yêu cầu sai số pha các kênh nhỏ hơn khoảng 0.3o. Qua kiểm chứng giải pháp nghiên cứu bằng mô phỏng cho thấy, các sai số này hoàn toàn đạt được theo yêu cầu.
Như vậy, giải pháp hiệu chuẩn đề xuất có thể áp dụng được cho hầu hết các hệ thống sử dụng AMPS, từ các hệ thống ra đa từ cảnh giới, chỉ thị mục tiêu, các hệ thống thông tin 5G với độ chính xác vừa phải [5] đến các hệ thống điều khiển hỏa lực, các hệ thống ra đa SAR với độ chính xác cao. Tuy nhiên khơng phải ta cứ tăng thời gian hiệu chuẩn là tăng được độ chính xác như tính tốn, điều đó cịn phụ thuộc vào chất lượng hệ thống, mà đặc biệt là cần giảm được tác động của "nhiễu rò" trong hiệu chuẩn nội [23], vấn đề này sẽ được trình bày trong chương 3.
2.6. Đánh giá kết quả đạt được với các cơng trình đã cơng bố
Qua phân tích lý thuyết dựa trên cơ sở lý thuyết xác suất thống kê và qua mô phỏng cho thấy, giải pháp sử dụng THHC đa điều chế có hiệu quả tốt, sai số hiệu chuẩn nhỏ và chất lượng tín hiệu thu bị ảnh hưởng khơng đáng kể. So sánh với các cơng trình đã cơng bố, luận án đưa ra một số đánh giá như sau:
1) Với giải pháp phân chia theo tần số: đây là giải pháp đơn giản trong xử lý lọc tách THHC và tín hiệu thu. Do đó, chất lượng thu có thể coi như khơng bị ảnh hưởng nếu sử dụng các bộ lọc số dải hẹp. Việc sử dụng tín hiệu đơn hài làm THHC cũng khơng gây khó khăn trong đo đạc các tham số kênh thu với mơ hình đã được trình bày chi tiết trong tài liệu [25, 26, 30]. Ngoài ra, thời
60
gian hiệu chuẩn nhanh, độ chính xác cao do THHC khơng bị ảnh hưởng bởi tín hiệu thu. Cụ thể như trong [23] cho thấy: với THHC có độ dài 400µs/lần đo, sai số pha và biên độ nhỏ hơn 0,3o và 0,01dB. Độ chính xác sẽ cao hơn khi lấy trung bình qua các lần đo. Cụ thể lấy trung bình qua 25 lần đo, sai số có thể nhỏ hơn 0,06o và 0,002dB.
Tuy nhiên, để đạt được kết quả này thì hệ thống cần được kiểm sốt rất lý tưởng. Thực tế cho thấy, khi hai tần số khác nhau thì biên độ và pha sai lệch nhiều, như kết quả thực nghiệm trong [28] khi tần số khác nhau sai lệch biên độ có thể trên 1dB. Trong [5], sai số khi thực nghiệm là 1o và 0,5dB với độ lệch tần số là 2MHz. Với các hệ thống trải phổ, sai số thực tế này có thể lớn hơn nhiều. Do vậy, để hiệu chuẩn đạt hiệu quả cao, trong [28] có yêu cầu về quy trình thử nghiệm, xây dựng các bảng tra để bù các sai lệch tần số, quy trình này rất phức tạp, mất thời gian và chi phí lớn, đặc biệt là với AMPS có số lượng MĐTP lớn. Một số điểm khác nhau giữa các cơng trình đã được cơng bố với giải pháp đề xuất được thể hiện cụ thể tại bảng 2.2 dưới đây.
Bảng 2.3. Một số điểm khác nhau giữa giải pháp đề xuất với giải pháp phân chia theo tần số
STT Sai số pha
và biên độ Ưu điểm Hạn chế
Giải pháp [23-26] 0,06o và 0,002dB (Có thể đạt được) - Độ chính xác cao khi có thơng tin tham số kênh thu ở dải tần và nhiệt độ làm việc. - Chống can nhiễu tốt giữa THHC và tín hiệu thu nên chúng gần như khơng ảnh hưởng lẫn nhau.
- Thuật tốn đo đơn giản, thời gian hiệu chuẩn nhỏ (~10ms).
- Cần mở rộng dải thông kênh thu. Sử dụng nhiều tài
nguyên với các core
chuyên dụng như FIR, FFT khi cần lọc tách và xử lý kết quả đo.
- Quy trình đo kiểm phức tạp, chi phí thử nghiệm mô-đun lớn. Giải pháp của luận án 0,15o và 0,025dB (Có thể đạt được) - Khơng cần mở rộng dải thông kênh thu.
- Quy trình thiết kế, thử nghiệm đơn giản.
- Thuật toán xử lý đơn giản, giảm tài nguyên phần cứng.
- Thời gian hiệu chuẩn lớn khi cần sai số nhỏ (> 3s). - Cần xử lý lọc bỏ mẫu THHC khi tín hiệu thu lớn.
61
Như vậy, ta thấy rằng các giải pháp đã công bố khá hiệu quả. Tuy nhiên quy trình đo kiểm phức tạp, chi phí cao, địi hỏi nhiều kinh nghiệm trong thiết kế, phù hợp với hệ thống có số MĐTP khơng lớn. Cịn với giải pháp của luận án, quy trình thử nghiệm đơn giản, chi phí thấp, ít mở rộng tài nguyên, rất phù hợp với hệ thống lớn, nhất là với điều kiện phịng thí nghiệm và kinh nghiệm thiết kế hệ thống AMPS còn hạn chế ở trong nước hiện nay. Về nguyên tắc, sai số phép đo của giải pháp đề xuất tương đương với cơng trình đã cơng bố do cả hai đều trên nguyên tắc tương quan tín hiệu, tuy nhiên giải pháp đề xuất có thời gian cho một lần hiệu chuẩn lớn hơn rất nhiều.
2) Với giải pháp phân chia theo mã như đã nêu trong [34, 81], các kết quả thu được bằng mô phỏng dựa trên dữ liệu thu từ SAR. Do phần cứng thử nghiệm chưa có sẵn nên THHC được đưa vào tín hiệu băng gốc, xử lý trên dữ liệu thu được để đánh giá chất lượng hiệu chuẩn. Kết quả mô phỏng với các loại mã pha khác nhau; tích lũy thực hiện qua 32.767 chu kỳ; hệ số nén một chu kỳ là 37.500 đã được trình trong tài liệu [34].
Kết quả cho thấy giải pháp mã đề xuất [34] cơ bản đáp ứng yêu cầu về chất lượng hiệu chuẩn, chất lượng xử lý ảnh. Trong đó mã hai pha giả tạp cho kết quả cao hơn. Vì cơng trình [34, 81] cơng bố trong năm 2020, 2021, nên có thể thấy rằng: giải pháp phân chia theo mã là hướng nghiên cứu được quan tâm trong hiệu chuẩn TGT để không làm gián đoạn hoạt động của hệ thống. Tuy nhiên, cũng từ đó, dễ nhận thấy rằng: để bài tốn hiệu chuẩn đạt hiệu quả tốt, thì THHC phải rất nhỏ, nên kéo theo số lượng xung tích lũy rất lớn (khoảng 32.767 · 37.500 ~ 36 · 225 xung) dẫn tới tốn rất nhiều tài nguyên xử lý, làm phức tạp trong thiết kế phần cứng. Do vậy trong luận án này, ngoài điều chế mã pha giả tạp, luận án đề xuất thêm điều chế biên độ theo mã OOK. Như đã phân tích, cơng suất đỉnh THHC bằng mức tạp, nhưng với việc điều biên OOK vẫn đảm bảo cơng suất trung bình rất nhỏ. So với giải pháp [34]
62
trên cùng một điều kiện về yêu cầu sai số hiệu chuẩn và mức ảnh hưởng đến tín hiệu thu, giải pháp của luận án có những ưu điểm sau:
- Mức THHC lớn tương đương mức tạp sẽ không cần thêm các giải pháp xử lý khi tín hiệu nhỏ hơn một bít ADC mà giải pháp [34] đã thực hiện.
- Việc cố định mức THHC tương đương mức nội tạp, khi cần thay đổi cơng suất trung bình chỉ cần thay đổi hệ số điều biên D của mã OOK, sẽ đơn giản hơn khi cần thay đổi mức công suất theo giải pháp [34].
- Giải pháp đề xuất chỉ tích lũy xung tương quan khi mã OOK có mức ‘On’ thay vì tích lũy liên tục như giải pháp [34], do vậy số xung tích lũy giảm 1/D lần khi cùng yêu cầu về hiệu quả hiệu chuẩn.
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 công suất nhiễu tăng 0,07dB (giải pháp của luận án có D = 1/64, giải pháp [34] có mức 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 lũy theo giải pháp đề xuất là 25·6·104 (< 221), theo giải pháp [34] là 64·25·6·104 (< 227). Việc số xung tích tích lũy giảm 1/D lần mang nhiều ý nghĩa quan trong như giảm bộ nhớ lưu trữ, giảm số bít trong các core xử lý tín hiệu, giảm dung lượng tính tốn v.v. Với những hệ thống lớn thì ưu điểm này có ý nghĩa rất quan trọng trong việc giảm đáng kể tính phức tạp trong thiết kế phần cứng xử lý số tín hiệu.
2.7. Kết luận chương
Chương 2 đã thực hiện giải quyết các vấn đề của nội dung nghiên cứu thứ nhất đã trình bày tại mục 1.4, chương 1. Đó là nghiên cứu cấu trúc mới về THHC cho giải pháp hiệu chuẩn nội kênh thu các MĐTP của hệ thống AMPS. Các kết quả chính thu được như sau:
1) Sử dụng THHC có cùng tần số với tần số tín hiệu thu của hệ thống nhằm đảm bảo thông tin tách được từ chúng ở đầu ra kênh thu phản ánh trung
63
thực trạng thái của từng MĐTP. Cùng với đó, việc sử dụng kết hợp điều chế pha bởi mã BPSK và biên độ bởi mã OOK được lập luận chặt chẽ trên cơ sở lý thuyết, cho phép giải quyết những hạn chế còn tồn tại của các cơng trình đã cơng bố theo cùng hướng nghiên cứu.
2) Kết hợp giữa lý thuyết và kiểm định bằng mô phỏng, luận án đã tiến hành ước lượng định lượng các tham số cơ bản của THHC như mức cơng suất trung bình, hệ số điều chế, số lượng mẫu THHC cần tích lũy phụ thuộc vào yêu cầu về độ chính xác hiệu chuẩn, về thời gian thực trong hiệu chuẩn, ảnh hưởng của THHC đến tín hiệu thu. Hai biểu thức (2.8) và (2.9) là kết quả
nghiên cứu quan trọng của quá trình ước lượng định lượng sai số hiệu chuẩn. 3) Luận án đã nghiên cứu, phân tích, mơ phỏng giải pháp hiệu chuẩn đề xuất với mơ hình hệ thống AMPS cụ thể. Kết quả được xem xét trên các yếu tố như chất lượng hiệu chuẩn, ảnh hưởng của THHC đến q trình thu, xử lý tín hiệu đã minh chứng được hiệu quả của đề xuất. Đồng thời, các kết quả nghiên cứu có so sánh với các cơng trình đã cơng bố, cho thấy giải pháp đề xuất có ưu điểm như sau: Giảm tính phức tạp trong thiết kế, thử nghiệm các MĐTP, giảm tài nguyên xử lý các kết quả đo và đơn giản trong hiệu chỉnh các tham số THHC. Qua những kết quả đạt được cho thấy, giải pháp đề xuất của luận án có thể ứng dụng tốt vào thực tiễn.
Tuy vậy, với giải pháp phân chia theo mã, cịn tồn tại hạn chế đó là mức nhiễu do THHC sinh ra sẽ tăng cao ở tín hiệu đầu ra bộ tổng hợp GĐH, nhất là với hệ thống có số kênh thu lớn. Thêm vào đó, hiện tượng can nhiễu qua lại của các tín hiệu trong MĐTP cũng sẽ gây ra sai số khi tích hợp mạch hiệu chuẩn nội trong chế tạo các MĐTP. Đó chính là nội dung nghiên cứu thứ hai của luận án và sẽ được giải quyết trong chương 3.
64
Chương 3
CẢI THIỆN HIỆU QUẢ HIỆU CHUẨN NỘI THỜI GIAN THỰC BẰNG TẬP TÍN HIỆU HIỆU CHUẨN GIẢ TRỰC GIAO
Tín hiệu đa điều chế bởi hai mã BPSK và OOK được sử dụng để hiệu chuẩn TGT kênh thu trình bày trong chương 2 đã được tổng hợp, phân tích trên cơ sở lý thuyết và minh chứng hiệu quả qua mô phỏng. Tuy nhiên, khi tổng hợp búp sóng số (BSS) với số kênh thu lớn, nhiễu do THHC gây ra vẫn ảnh hưởng đáng kể đến q trình thu, xử lý và lọc tách tín hiệu có ích. Bên cạnh đó, nhược điểm cố hữu trong hiệu chuẩn nội là hiện tượng rị tín hiệu, gây can nhiễu lẫn nhau trong MĐTP và dẫn tới sai số lớn cho các phép đo.
Hai tác nhân nêu trên đều ảnh hưởng đến hiệu quả của bài toán hiệu chuẩn. Để khắc phục các hạn chế đó, trong chương này, luận án trình bày các nội dung nghiên cứu với giải pháp tạo tập THHC giả trực giao dựa trên hai dạng mã BPSK và OOK như đã trình bày ở chương 2. Với tập THHC như vậy, nhiễu do THHC gây ra cho tín hiệu thu được giảm đáng kể. Đồng thời với giải pháp thay đổi cách thức phân phối THHC, nhiễu rò trong hiệu chuẩn nội được khắc phục và nâng cao chất lượng hiệu chuẩn.
Các kết quả trình bày trong Chương 3 đã được cơng bố trong cơng trình [CT2] và [CT3] của tác giả.
3.1. Giải pháp giảm ảnh hưởng của THHC lên tín hiệu thu 3.1.1. Đặt vấn đề 3.1.1. Đặt vấn đề
Cấu trúc hệ thống AMPS có hệ con hiệu chuẩn nội như trên hình 2.1 là cấu trúc điển hình được sử dụng phổ biến hiện nay. Trong đó, hệ thống sử dụng một bộ tạo tín hiệu để vừa tạo tín hiệu cao tần RF trong chế độ phát và THHC trong chế độ thu-hiệu chuẩn. Sau đó, tín hiệu được mạng phân phối tín hiệu đưa tới các MĐTP. Để giảm tính phức tạp, chi phí thấp, tham số tín hiệu ổn định, hầu hết các mạng phân phối thường dùng các phần tử thụ động là các bộ
65
chia công suất [5, 63]. Do vậy, THHC trích vào các kênh thu của các MĐTP cơ bản giống nhau. Nếu sử dụng giải pháp hiệu chuẩn phân chia theo tần số và thời gian thì mạng phân phối này là phù hợp do khả năng cách ly giữa THHC và tín hiệu thu rất lớn. Tuy nhiên với giải pháp phân chia theo mã thì sẽ phát sinh vấn đề. Đó là mức nhiễu do THHC gây ra ảnh hưởng đáng kể đến tín hiệu thu sau bộ tổng hợp GĐH với hệ thống có số kênh thu lớn.
Khi sử dụng giải pháp hiệu chuẩn phân chia theo mã, THHC và tín hiệu thu cùng tồn tại cả trên miền thời gian và tần số. Do vây, THHC thuộc lớp nhiễu ngoại ảnh hưởng trực tiếp đến việc thu và xử lý tín hiệu có ích. Nhiễu ngoại cùng với nhiễu nội tạo thành nhiễu tổng hợp của kênh thu (gọi tắt là
nhiễu). Trong đó, nhiễu nội chủ yếu là nội tạp, có cơng suất tương đối ổn định. Còn THHC sẽ làm tăng cơng suất nhiễu trung bình kênh thu, vì vậy làm giảm tỷ số tín/nhiễu SNR.
Giải pháp sử dụng THHC đa điều chế đã chứng minh hiệu quả trong chương 2, nhiễu trên mỗi kênh đơn tăng không đáng kể với việc lựa chọn mã OOK có hệ số điều biên D thích hợp. Song, như đã biết, bộ tạo BSS hình
thành GĐH thu chính là bộ cộng có trọng số của K kênh thu đầu vào. Như vậy, trường hợp khi hệ thống có số kênh thu lớn và THHC các kênh đều giống nhau thì cơng suất nhiễu đầu ra bộ tạo BSS sẽ tăng đáng kể. Giải pháp hiệu chuẩn trong [34] cũng chưa đề cập đến vấn đề này, mà chỉ mới dừng lại ở mô phỏng cho kênh đơn. Hình 3.1 thể hiện mức THHC và nội tạp ở đầu vào và đầu ra BSS, với hệ thống có số kênh thu K 16. Kết quả đã minh chứng công suất nhiễu tăng sau bộ tạo BSS như nhận định trên, hình 3.1a và hình 3.1b thể hiện kết quả lần lượt của giải pháp sử dụng tín hiệu THHC đề xuất và