12 Đề xuất giải pháp tạo tập THHC giả trực giao

Theo lý thuyết, hai tín hiệu khơng tương quan trên miền nào được hiểu là có tính trực giao trên miền đó Trong khn khổ nội dung nghiên cứu của luận án, các miền tham số được quan tâm là pha, biên độ và thời gian Do vậy, theo lẽ tự nhiên, tư duy đầu tiên sẽ là thực hiện trực giao pha trên cơ sở thiết lập bộ xoay pha tại từng đường THHC và điều khiển mã pha ngẫu nhiên chúng sao cho các THHC đầu ra ít tương quan với nhau nhất [35, 64] (lý tưởng là các tín hiệu trực giao) Hình 3 2a minh họa mạng phân phối tín hiệu cho giải pháp này Tuy nhiên, việc bổ sung các bộ xoay pha làm phức tạp thêm cho hệ con hiệu chuẩn Nguyên nhân ở chỗ, dù các bộ xoay pha dạng tương tự hay số thì khi điều khiển chúng đều cần thiết kế phần cứng phức tạp, số lượng tín hiệu điều khiển và linh kiện bổ trợ lớn, nhất là với các bộ xoay pha tương tự Hơn nữa, tham số pha của chúng thường khác nhau nhiều, do vậy cần hiệu chỉnh, đồng bộ khá phức tạp Thêm vào đó, bản thân xoay pha có tham số thay đổi nhiều theo nhiệt độ, già hóa theo thời gian và có giá thành khá cao [65] Do đó, nếu khơng kiểm sốt tốt hệ số pha và biên độ mỗi bộ xoay pha thì chất lượng hiệu chuẩn sẽ bị suy giảm Vì vậy, giải pháp sử dụng

các bộ xoay pha để tạo tập THHC có mức tương quan thấp sẽ gặp nhiều khó khăn, gây phức tạp hệ thống, nhất là đối với hệ thống có số kênh thu lớn

Hình 3 2 Các mạng phân phối tín hiệu

Từ những hạn chế nêu trên, luận án đề xuất giải pháp để hình thành tập THHC khác nhau có mức tương quan thấp được thể hiện như trên hình 3 2b Đó là giải pháp trực giao biên độ và thời gian trên cơ sở sử dụng các bộ chuyển mạch CM Theo đó, các bộ chuyển mạch được sử dụng để tạo ra mã điều biên OOK khác nhau, đây là cấu trúc điều chế số phổ biến và chỉ cần một đường tín hiệu điều khiển On/Off các chuyển mạch [66] Việc tạo tập THHC được thực hiện như sau: tín hiệu cao tần RF_in đầu vào mạng phân phối là tín hiệu mã pha BPSK được tạo ra từ bộ tạo tín hiệu, biên độ THHC cho từng kênh thu được tạo bằng cách điều khiển các chuyển mạch theo mã OOK ngẫu nhiên khác nhau nhưng có cùng hệ số điều biên D Như vậy, THHC trên mỗi kênh thu là khác nhau và hệ số tương quan giữa chúng sẽ giảm

Có thể thấy rằng, giải pháp tạo tập THHC khác nhau khá đơn giản, gần như không cần mở rộng phần cứng Thêm vào đó, ưu điểm của các chuyển mạch là tốc độ cao (khoảng vài ns), suy hao nhỏ và là phần tử thụ động nên tham số ổn định theo nhiệt độ và thời gian [67, 68] Như vậy, giải pháp đề suất đơn giản trong thiết kế phần cứng, tín hiệu có tính ổn định cao, giảm tính phức tạp trong xử lý đồng bộ tập THHC

Với giải pháp đã trình bày, THHC ở các đầu vào và đầu ra bộ tổng hợp BSS có dạng như trên hình 3 3 Hình 3 3a và hình 3 3b minh họa hai THHC ở các kênh thu khác nhau với D 1 / 32 Hình 3 3c thể hiện tín hiệu ở đầu ra bộ tạo BSS khi số kênh thu K 64 Kết quả này khác hẳn với kết quả trên hình 3 1a khi các kênh thu có cùng THHC Từ hình 3 3c cho thấy, với các mã OOK ngẫu nhiên, số lượng kênh thu lớn, THHC đầu ra BSS có thể coi trải đều trên miền thời gian và có thể coi là tín hiệu liên tục Như vậy, giải pháp sử dụng THHC đa điều chế trên mỗi kênh thu đơn thì THHC sau tổng hợp BSS gần tương tự tín hiệu mã pha liên tục sử dụng theo giải pháp trong [34]

Hình 3 3 THHC trong mỗi kênh thu khác mã OOK và sau bộ BSS

Bên cạnh ưu điểm nêu trên, dễ nhận thấy giải pháp đề xuất còn tồn tại hạn chế Đó là, tại các thời điểm mức 'On' các mã OOK trùng nhau thì các THHC giống nhau Với số lượng kênh thu K càng lớn thì mức ‘On’ của các mã OOK trùng nhau càng nhiều, dẫn đến cơng suất nhiễu PBSS sau BSS có thể tăng lên

Do đó, tập các THHC tạo ra theo giải pháp đề xuất chỉ nên được gọi là "giả

giá một cách định lượng, cần thiết phải thực hiện ước lượng giá trị công suất nhiễu PBSS và tiến hành mơ phỏng để minh chứng tính hiệu quả

3 1 3 Ước lượng công suất nhiễu PBSS và kiểm chứng bằng mô phỏng

3 1 3 1 Ước lượng công suất nhiễu PBSS

Với đề xuất cấu trúc THHC cho mỗi kênh thu như trên, ta ước lượng công suất nhiễu PBSS sau bộ BSS như sau:

Khi cộng K kênh, nội tạp có cơng suất bằng K [61] Khi K đủ lớn, mã OOK ngẫu nhiên, THHC ở đầu ra BSS có thể coi trải đều trên miền thời gian (hình 3 3c) nên có mức biên độ xấp xỉ KD , cơng suất trung bình xấp xỉ

(KD) 2 Chuẩn hóa theo nội tạp, vậy PBSS được ước lượng theo biểu thức sau:

PBSS K (KD)2

K (3 4)

Đối chiếu với biểu thức (3 2), PBSS tính theo (3 4) nhỏ hơn rất nhiều do nó tỷ lệ thuận với tích KD 2 với D << 1 Hình 3 4 so sánh cơng suất nhiễu PBSS

theo hai biểu thức (3 2) và (3 4), cho thấy công suất nhiễu theo giải pháp đề xuất giảm đáng kể

Hình 3 4 Cơng suất nhiễu sau BSS

BSSP (dB) BSSP (dB)

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

Hình 3 6 Mức tăng công 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 u cầu hay khơng 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 D 1 / 64 , mức suy giảm cự ly RMax tính

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

Theo bảng 3 2, có thể thấy rằng khi số kênh thu lớn, giải pháp phân phối tín hiệu theo [5, 65] khơng thể đáp ứng yêu cầu do cự ly RMax bị suy giảm

STT kênhSố thu K

Giải pháp [5, 65] Giải pháp đề xuất

PBSS (dBm) RMaxHC / RMax (%) PBSS (dBm) RMaxHC / RMax (%) 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 BSSP (dB)

đáng kể Còn với giải pháp đề xuất, khi số kênh thu K nhỏ hơn 64 thì gần như cự ly RMax khơng 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 không 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 ngun 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 nội3 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 rị 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]:

Trong đó: S (n) 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

Q3055 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 mơ-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

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 rò 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 u 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)

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

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: SOOK 1 (n) và SOOK 2 (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 SOOK 1 (n) và SOOK 2 (n) được tính tốn như sau:

rSOOK 1SOOK 2

 n1 n1

n1(SOOK 1(n) SOOK 1)(SOOK 2 (n) SOOK 2 )

2 2 (3 6)

Với SOOK 1 (n) và SOOK 2 (n) được điều chế mã BPSK ngẫu nhiên, ta có:

Thay (3 7) vào (3 6) ta có: SOOK 1 0, SOOK 2 0 (3 7) rSOOK 1SOOK 2  n1 n1 n1(SOOK 1(n)SOOK 2 (n)) 2 2 (3 8)  N N 

(SOOK 1(n) SOOK 1) (SOOK 2 (n) SOOK 2 )



N N



Gọi L là độ dài điều chế chuỗi mã OOK, LON là tổng các mẫu xuất hiện

mức ‘On’, vậy ta có:

D LON / 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 D 2 Do vậy, (3 8) được biến đổi như sau:

rSOOK 1SOOK 2

2 2

 D

LON LON LON L (3 10)

Như vậy, áp dụng vào đề xuất trên, ta có hệ số tương quan giữa nhiễu rị và THHC khá nhỏ ( D  1) 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