Dễ nhận thấy, dạng THHC đề xuất sẽ mất nhiều thời gian cho mỗi lần hiệu chuẩn bởi một số nguyên nhân như: số lượng mẫu THHC N cần tích lũy lớn, điều chế OOK có độ trống M lớn, đồng thời khi tín hiệu thu về lớn thì trong khoảng thời gian đó ta cũng khơng lấy được mẫu THHC. Tất cả các nhân tố này được tổng kết trên bảng 2.1 phục vụ cho việc lựa chọn tối ưu chế độ đo sai lệch khi hiệu chuẩn. Giả sử hệ thống có độ rộng phổ kênh thu là 20MHz (tương ứng mỗi mẫu THHC có độ rộng Δt = 0,05µs), u cầu sai số đo pha và
thu lớn hơn 4 lần công suất nội tạp (P S( NPX)4 với giả thuyết chiếm 50% thời gian thu.
Bảng 2.1. Tính tốn các tham số hiệu chuẩn
ST T Hệ số M=1/D Số xung N Thời gian hiệu chuẩn (ms) 2N∙ Δt∙M Mức tăng công suất nhiễu (dB) / MaxHC Max R R (%) Thời gian (s) với sai số nhỏ hơn 0,25o/0,05dB 1 8 6·104 48 0,51 97,1 0,77 2 16 6·104 96 0,26 98,5 1,54 3 32 6·104 192 0,13 99,2 3,07 4 64 6·104 384 0,07 99,6 6,14
Các số liệu trong bảng 2.1 đã chứng minh hiệu quả hiệu chuẩn trong TGT hoàn toàn đạt được. Thật vậy, khi hệ số điều biên nhỏ D < 1/32, cự ly phát hiện của ra đa rất ít bị ảnh hưởng (RMaxHC /RMax > 99%) và với yêu cầu sai số pha/biên độ nhỏ hơn 1o/0,2dB thì thời gian cho mỗi lần hiệu chuẩn chỉ khoảng vài trăm ms. Thậm chí, khi yêu cầu sai số nhỏ hơn 0,25o/0,05dB thì thời gian cho một lần hiệu chuẩn chỉ hơn 3s.
Với những kết quả đã được phân tích, với cấu trúc THHC đề xuất, tham số pha và biên độ kênh thu được đo với độ chính xác cao theo yêu cầu với một hệ thống nhất định, ít ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống, đáp ứng yêu cầu hiệu chuẩn TGT cho các hệ thống AMPS hiện đại.
2.4. Kiểm chứng đề xuất qua mô phỏng 2.4.1. Kiểm chứng sai số hiệu chuẩn 2.4.1. Kiểm chứng sai số hiệu chuẩn
2.4.1.1. Kiểm chứng sai số được ước lượng theo các biểu thức (2.8) và (2.9)
Các biểu thức ước lượng sai số đo (2.8) và (2.9) rất có ý nghĩa trong việc lựa chọn các tham số hiệu chuẩn cho hệ thống. Để xác thực các biểu thức đó, việc mơ phỏng trên Matlab sẽ được thực hiện.
Kết quả mô phỏng sai số biên độ và pha thể hiện trên hình 2.12 và 2.13. Cụ thể, với số xung tích lũy N 5.103 105, các hình a-d tương ứng với các mức công suất kênh thu P S( )22 1, 2, 4,8.
Số xung tích lũy N Số xung tích lũy N
Số xung tích lũy N Số xung tích lũy N
Theo mô phỏng Theo lý thuyết Theo mô phỏng Theo lý thuyết Theo mô phỏng Theo lý thuyết Theo mơ phỏng Theo lý thuyết
Hình 2.12. Sai số biên độ mô phỏng theo công suất P S( NTH)và số mẫu N
Số xung tích lũy N Số xung tích lũy N
Số xung tích lũy N Số xung tích lũy N
Theo mơ phỏng Theo lý thuyết Theo mơ phỏng Theo lý thuyết Theo mơ phỏng Theo lý thuyết Theo mơ phỏng Theo lý thuyết
Hình 2.13. Sai số pha mơ phỏng theo công suất P S( NTH)và số mẫu N
nhau. Điều này cho thấy rằng hai biểu thức ước lượng sai số pha và biên độ trên là hợp lý. Đây là hai biểu thức cho phép ước lượng định lượng số xung cần tích lũy theo các yêu cầu về sai số, từ đó xác định định lượng tài nguyên phần cứng và thời gian khi xử lý cụ thể như trên bảng 2.1.
2.4.1.2. Kiểm chứng kết quả hiệu chuẩn đối với hệ thống AMPS
Trong phần này, hiệu chuẩn kênh thu được kiểm chứng bằng mô phỏng trên Matlab với hệ thống AMPS gồm 4 MĐTP. Tham số pha và biên độ các kênh thu được so sánh với kênh 1 (hình 2.14a), cụ thể như sau: lệch theo pha là 0o, 60o, 120o và 180o, lệch theo biên độ là 0, 1,58, 2,92 và 4,08 (dB). Giả sử tín hiệu thu là các đoạn tín hiệu có mức biên độ ngẫu nhiên bằng K (K trong dải 0÷5) lần mức nội tạp (có phân bố chuẩn và được chuẩn hóa), xuất hiện ngẫu nhiên trên miền thời gian. Mã OOK của THHC có hệ số D = 1/32. Giả sử yêu cầu hệ hiệu chuẩn với sai số pha và biên độ lần lượt nhỏ hơn 1o và 0,2dB, theo biểu thức ước lượng sai số (2.8) và (2.9), số mẫu xung N cần tích lũy là N = 6·104 và mẫu THHC bị loại bỏ khi mức công suất kênh thu lớn hơn công suất nội tạp 4 lần.
Tiến hành đo tham số các kênh bằng cách tích lũy tương quan N mẫu xung THHC và hiệu chuẩn theo kênh 1. Mỗi một lần hiệu chuẩn là khi tích lũy đủ
N mẫu, tính tốn sai số và hiệu chuẩn, sau đó lại tiếp tục thực hiện lần hiệu
chuẩn tiếp theo. Kết quả trước và sau khi hiệu chuẩn thể hiện trên hình 2.14 và hình 2.15. Dễ nhận thấy, sau khi hiệu chuẩn, tín hiệu dao động các kênh thu tương đối giống nhau, một cách định tính, hiệu chuẩn cho kết quả tốt.
Hình 2.15. Các kênh thu trước và sau khi hiệu chuẩn được phóng to
Việc đánh giá định lượng chất lượng hiệu chuẩn và kiểm tra các sai số của các kênh so với kênh 1 đã được tính tốn có kết quả thể hiện trên hình 2.16. Theo đó cho thấy, sai số pha nhỏ hơn 0,6o, sai số biên độ nhỏ hơn 0,1dB. Kết quả tốt hơn yêu cầu đầu bài đặt ra, điều này có được là do nhiều mẫu THHC khơng chứa tín hiệu thu nên sai số đo nhỏ hơn ước lượng ban đầu. Các sai số này có thể giảm hơn nữa nếu ta tiếp tục lấy trung bình qua các lần đo [23]. Ví dụ như trên hai hình cho thấy: sai số pha và biên độ của kênh 2 lần lượt nhỏ hơn 0,15o và 0,025dB khi lấy trung bình qua 16 lần đo.
Hình 2.16. Sai số pha và biên độ sau hiệu chuẩn
2.4.2. Đánh giá ảnh hưởng của THHC đến chất lượng tín hiệu thu
Để đánh giá ảnh hưởng của THHC đến chất lượng xử lý tín hiệu thu của hệ thống, tỷ số tín/tạp (SNR) được tính tốn khi “có” và “khơng có” THHC. Xét hệ thống ra đa sử dụng tín hiệu phức tạp mã M, hệ số nén 256, tín hiệu thu về nhỏ hơn mức nội tạp 10 lần, hệ số điều biên OOK của THHC D = 1/32. Minh họa các loại tín hiệu trên được thể hiện trên hình 2.17.
Hình 2.17. Minh họa các loại tín hiệu trong kênh thu
Hình 2.18. Tín hiệu sau lọc nén
Dễ thấy, nền tạp tín hiệu sau lọc nén khi có THHC cao hơn và trải đều trên miền thời gian. Kết quả tính tốn tỷ số SNR trong hai trường hợp, ta có được giá trị suy giảm của SNR khi có THHC thể hiện trên hình 2.19.
Hình 2.19. Tỷ số SNR và sự suy giảm SNR khi có THHC
Hình 2.19a biểu diễn SNR qua 100 lần đo, do việc sử dụng tín hiệu thu nhỏ nên tỷ số SNR khá thấp (khoảng 2 lần). Giá trị nhỏ này rất tốt cho việc đánh giá sự ảnh hưởng của THHC. Tỷ số SNR khi có THHC cho thấy sự suy
0,13dB và tương đương giá trị tăng lên của công suất nhiễu theo tính tốn ở trên. Theo tính tốn, khi SNR giảm 0,13dB, thì cự ly RMax giảm dưới 1% và
có thể xem là khơng đáng kể. Như vậy qua mô phỏng, giải pháp hiệu chuẩn sử dụng THHC đa điều chế như đề xuất ảnh hưởng không đáng kể đến chất lượng thu, xử lý tín hiệu.
2.5. Đánh giá khả năng ứng dụng của giải pháp đề xuất
Hai biểu thức (2.8) và (2.9) cho phép đưa ra các chỉ tiêu chất lượng cần hiệu chuẩn đối với một hệ thống cụ thể gồm sai số sau hiệu chuẩn và thời gian hiệu chuẩn. Hai biểu thức cũng đã được kiểm chứng qua mô phỏng. Do vậy, tùy vào từng hệ thống AMPS cụ thể mà lựa chọn tham số hiệu chuẩn để đạt được chỉ tiêu chất lượng theo yêu cầu. Bảng yêu cầu sai số GĐH của một số hệ thống cụ thể dưới đây cho phép đánh giá, cũng như lựa chọn tham số hiệu chuẩn kênh thu theo giải pháp đã đề xuất.
Bảng 2.2. Yêu cầu sai số GĐH của một số hệ thống
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
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 công 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 mơ phỏng cho thấy, các sai số này hồn 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 không 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
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 soát 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 công 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 không ảnh hưởng lẫn nhau.
- Thuật toán 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 mơ-đun lớn. Giải pháp của luận án 0,15o và 0,025dB (Có thể đạt được) - Không cần mở rộng dải thơng kênh thu.
- Quy trình thiết kế, thử nghiệm đơn giản.
- Thuật toán xử lý đơn giản,
- Thời gian hiệu chuẩn lớn khi cần sai số nhỏ (> 3s). - Cần xử lý lọc bỏ mẫu THHC khi tín hiệu thu lớn.
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]