Từ các cơng trình nghiên cứu về phương pháp hiệu chuẩn nội TGT đã được công bố, luận án đề xuất ba nội dung nghiên cứu về thiết kế hệ thống hiệu chuẩn nội theo TGT kênh thu tích hợp trong các hệ thống AMPS theo hướng tiếp cận liên quan tới cấu trúc và tham số THHC Đồng thời, thực hiện thay đổi cách thức phân phối THHC để khắc phục một số hạn chế còn tồn tại Các nội dung cụ thể như sau:
- Nghiên cứu cấu trúc mã mới cho THHC kênh thu THHC là tín hiệu đa điều chế gồm mã pha và mã biên độ Trong đó, điều chế pha theo mã dịch pha nhị phân BPSK kết hợp với điều chế biên độ theo mã dịch biên nhị phân OOK, có tần số tương đương với tần số tín hiệu thu và cơng suất đỉnh tương đương cơng xuất nội tạp mỗi kênh thu Đề xuất này nhằm khắc phục một số nhược điểm của các giải pháp trong các cơng trình đã cơng bố [CT1]
- Nghiên cứu giải pháp đơn giản để tạo tập THHC đa điều chế giả trực giao và cách thức phân phối chúng đến mỗi kênh thu Trong đó, tín hiệu giả trực giao có tương quan thấp để giảm nhiễu lên tín hiệu thu; đồng thời với giải pháp thay đổi cách thức phân phối THHC tới các MĐTP nhằm làm giảm tương quan giữa nhiễu rò và THHC, giảm sai số hiệu chuẩn và giảm yêu cầu cách ly cao trong hiệu chuẩn nội [CT2-3]
- Tổng hợp các thuật tốn và chu trình hiệu chuẩn trên cơ sở cấu trúc THHC đã nghiên cứu với các bước thực hiện đơn giản, tường mình, tối ưu tài
ngun xử lý Xây dựng mơ hình thử nghiệm thực tế để hướng tới hoàn thiện các nội dung nghiên cứu lý thuyết khi ứng dụng trên thiết bị thực [CT4] 1 5 Kết luận chương
Trong chương này đã trình bày tổng quan về hệ thống AMPS, với các thành phần cơ bản cấu thành và các yêu cầu quan trọng cần có khi triển khai hệ thống vào thực tế Hiện nay, hệ thống AMPS đang được nghiên cứu, ứng dụng một cách mạnh mẽ; cùng với đó, các yêu cầu cũng cần được hồn thiện để hệ thống duy trì được hiệu suất mong muốn Một trong những yêu cầu quan trọng hàng đầu là hiệu chuẩn TGT nhằm duy trì hiệu suất của hệ thống trong điều kiện nhiều yếu tố tác động làm thay đổi tham số pha và biên độ tín hiệu đầu ra các kênh thu ngay trong quá trình hoạt động
Chương này cũng đã trình bày chi tiết về các phương pháp hiệu chuẩn cơ bản cùng với các ưu nhược điểm của từng phương pháp, để từ đó có sự lựa chọn thích hợp với một hệ thống AMPS cụ thể Trong đó, giải pháp hiệu chuẩn nội sử dụng đường hiệu chuẩn là tương đối phù hợp để đáp ứng yêu cầu tính TGT trong đo đạc và hiệu chỉnh các sai số
Qua việc phân tích, đánh giá các nghiên cứu về hiệu chuẩn nội theo TGT, luận án đề xuất một số nội dung nghiên cứu với cách tiếp cận mới về hiệu chuẩn Cụ thể gồm: 1) Nghiên cứu cấu trúc THHC mới đa điều chế về nhằm khắc phục một số hạn chế của các cơng trình đã cơng bố; 2) Nghiên cứu cấu trúc THHC giả trực giao và cách thức phân phối chúng nhằm làm giảm nhiễu cho tín hiệu thu và khắc phục hiện tượng nhiễu rò trong hiệu chuẩn nội; 3) Nghiên cứu tổng hợp các thuật tốn và chu trình hiệu chuẩn trên cơ sở cấu trúc THHC đã nghiên cứu Các thuật tốn và chu trình được kiểm nghiệm thực tế nhằm hướng tới hoàn thiện các nghiên cứu lý thuyết, đáp ứng thiết thực cho một lớp các hệ thống AMPS nhất định
Chương 2
HIỆU CHUẨN NỘI THỜI GIAN THỰC KÊNH THU HỆ THỐNG AMPS BẰNG TÍN HIỆU HIỆU CHUẨN ĐA ĐIỀU CHẾ
Như đã trình bày, hiệu chuẩn TGT là u cầu khơng thể thiếu đối hệ thống AMPS hiện đại nhằm duy trì hiệu suất cao trong quá trình hoạt động trên cơ sở kiểm soát mối quan hệ các tham số pha và biên độ tín hiệu với độ chính xác cao trong các MĐTP [19, 49] Việc sử dụng phương pháp hiệu chuẩn nội với các phần tử cần thiết được tích hợp thành hệ con cấu thành trong thành phần của mảng là cách tiếp cận được đề xuất trong nghiên cứu của luận án mà ý tưởng của nó cũng đã được trình bày trong chương 1
Trong chương này, luận án trình bày kết quả nghiên cứu giải pháp hiệu chuẩn nội theo TGT kênh thu trên cơ sở sử dụng tín hiệu đa điều chế làm THHC THHC được điều chế bởi mã pha BPSK kết hợp với mã điều biên OOK Việc sử dụng tín hiệu đa điều chế nhằm khắc phục một số hạn chế của các cơng trình đã cơng bố Luận án trình bày cơ sở trong việc lựa chọn cấu trúc và tham số THHC Cùng với đó, việc tính tốn, ước lượng các sai số đo được thực hiện trên cơ sở lý thuyết tương quan tính hiệu, lý thuyết xác suất thống kê, lý thuyết xử lý tín hiệu số, đồng thời thông qua kết quả mô phỏng để đánh giá hiệu quả của giải pháp đã đề xuất
Các kết quả trình bày trong Chương 2 đã được cơng bố trong cơng trình [CT1] của tác giả
2 1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống AMPS tích hợp hệ con hiệu chuẩn
Sơ đồ mơ hình của hệ thống AMPS có tích hợp hệ con hiệu chuẩn số, phục vụ cho các nội dung nghiên cứu của luận án được thể hiện trên hình 2 1 Các thành phần chính của hệ thống gồm: tập các MĐTP; mảng IF và ADC; mảng xử lý; bộ tạo tín hiệu; mạng phân phối tín hiệu và khối điều khiển chung
Mảng IF và ADC thực hiện khuếch đại và số hóa tín hiệu trung tần IF (Intermediate Frequency) với các bộ biến đổi tương tự - số ADC cho từng kênh thu Mảng xử lý thực hiện giải điều chế số (Digital down converter - DDC) và ước lượng sai lệch về pha/biên độ của từng kênh và sau đó hiệu chuẩn chúng để cân bằng tham số trước khi đưa tới bộ tạo búp sóng số (BSS) để hình thành GĐH thu số Bộ tạo tín hiệu có chức năng tạo ra tín hiệu cao tần RF (Radio Frequency) và dao động ngoại sai LO (Local Oscillator) cấp cho các MĐTP, tín hiệu RF bao gồm tín hiệu cấp cho kênh phát và THHC khi thực hiện hiệu chuẩn thu Mạng phân phối thực hiện phân chia tín hiệu RF, LO cho các MĐTP Và cuối cùng là khối điều khiển chung có chức năng điều khiển và đồng bộ tồn hệ thống
Hình 2 1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống AMPS
Dễ dàng nhận thấy rằng, nhiều thành phần quan trọng trong đường truyền, xử lý tín hiệu thu cùng tham gia vào hệ con hiệu chuẩn như: bộ tạo tín hiệu, hệ thống phân phối tín hiệu (mà trong hệ con hiệu chuẩn được gọi là đường hiệu chuẩn), các bộ ADC, tài nguyên xử lý số v v Việc tích hợp này cho phép giảm đáng kể tài nguyên toàn mảng Khác với các MĐTP thông thường, trong sơ đồ này, các MĐTP được thiết kế có bổ sung một số phần tử dùng cho hiệu chuẩn nội TGT (hình 2 2) Những phần tử được vẽ nét đứt như các chuyển
mạch CM, mạch ghép định hướng, bộ suy giảm SG được thêm vào để thực hiện phương pháp hiệu chuẩn nêu trên Các chế độ hiệu chuẩn gồm hiệu chuẩn phát (đường màu đỏ), hiệu chuẩn thu (đường màu xanh lam) và hiệu chuẩn “bypass” - hiệu chỉnh các đầu đo cho thu/phát, hiệu chỉnh xung nhịp cho ADC (đường màu tím) Cấu trúc MĐTP cơ bản như trong tài liệu [26], có khác ở chỗ các đường dẫn cho hiệu chuẩn thu và phát sẽ khơng ghép bên trong mà được đưa ra bên ngồi (T1-T2, P1-P2 – hình 2 2) nhằm tạo điều kiện thuận lợi khi kiểm tra các tham số của MĐTP khi lắp rắp, chế tạo hoặc kiểm tra định kỳ Thêm vào đó, thiết kế này sẽ được sử dụng để thay đổi phương thức phân phối THHC nhằm giảm ảnh hưởng của nhiễu rị khi hiệu chuẩn nội (sẽ được trình bày ở chương 3)
Hình 2 2 MĐTP với đường đi các tín hiệu trong chế độ thu – hiệu chuẩn
Với các nội dung nghiên cứu về hiệu chuẩn kênh thu các MĐTP, đường đi của các tín hiệu thể hiện chi tiết trên hình 2 2 như sau: Khi thu, bộ tạo tín hiệu chuyển sang chế độ “Tạo THHC” (màu hồng) đưa tới đầu vào RF của MĐTP Chuyển mạch CM1 định hướng tín hiệu đi ra đầu nối T1 vào đầu nối T2 để đến bộ ghép định hướng thông qua suy giảm SG1 THHC sẽ đi tới đầu vào kênh thu cùng với tín hiệu thu (màu xanh lá) nhận được từ ăng ten Tín hiệu cao tần hỗn hợp gồm THHC và tín hiệu thu được chuyển phổ xuống tần số trung tần IF và được số hóa ở các bộ ADC để tạo ra tín hiệu trung tần số IFs Khác với giải pháp phân chia theo tần số trình bày trong [5, 23-26], tín hiệu
trung tần số IFs không cần các bộ lọc số để phân tách THHC và tín hiệu thu, mà nó được giải điều chế số DDC để được tín hiệu số dạng phức băng tần gốc là tổng hợp của THHC và tín hiệu thu Cuối cùng là mọi bài toán xử lý số, trong đó có thuật tốn hiệu chuẩn được thực hiện trên tín hiệu số phức này
Như đã trình bày, các nội dung nghiên cứu sử dụng giải pháp phân chia theo mã để khắc phục hạn chế của giải pháp phân chia theo tần số và phân chia theo thời gian đối với THHC và tín hiệu thu Giải pháp này đã được cơng bố tại các cơng trình [34, 81] Trong đó có trình bày kết quả mơ phỏng đánh giá chất lượng hiệu chuẩn và chất lượng tín hiệu thu trên cơ sở dữ liệu thu được từ SAR cho thấy hiệu quả hiệu chuẩn là rất tốt, trong đó tín hiệu mã hai pha giả tạp cho kết quả tốt hơn cả Tuy nhiên, việc sử dụng tín hiệu mã có cơng suất rất nhỏ làm phức tạp cho q trình xử lý, gây khó khăn khi thay đổi tham số, cũng như các tình huống trạng thái kênh thu như mức tín hiệu thu v v chưa được phân tích cụ thể như đã chỉ ra tại chương 1 Do vậy, trong chương này, nghiên cứu sử dụng giải pháp đa điều chế cho THHC nhằm giảm tài nguyên và tính phức tạp trong xử lý Hiệu quả của giải pháp đề xuất sẽ được phân tích lý thuyết và kiểm chứng qua mơ phỏng
2 2 Giải pháp sử dụng THHC đa điều chế trong mỗi kênh thu
THHC được đề xuất là tín hiệu đa điều chế, gồm điều chế pha và điều chế biên độ Cụ thể như sau:
Điều chế pha được sử dụng là điều chế pha nhị phân giả tạp BPSK Việc sử dụng tín hiệu giả tạp sẽ hạn chế ảnh hưởng đến tín hiệu thu, kết quả đã được nghiên cứu trong [34] Pha THHC được dịch 180o từ xung tới xung bởi chuỗi mã điều chế pha ngẫu nhiên C(n) e j1 ( 0o hoặc 180o ) sao cho độ rộng phổ tương đương với phổ tín hiệu cần thu Khi đó, các thơng tin sai lệch về biên độ và pha kênh thu được lấy từ THHC sẽ được phản ánh trung thực hơn giải pháp phân chia theo tần số
Tín hiệu tổng hợp cao tần từng kênh sau khi chuyển xuống tín hiệu băng gốc là tín hiệu phức gồm ba loại: THHC, tín hiệu thu và nội tạp Trong đó, thành phần THHC chứa thông tin về pha và biên độ kênh thu sẽ được xử lý khi hiệu chuẩn Khi thực hiện hiệu chuẩn, tín hiệu thu được lấy mẫu và lưu vào bộ nhớ đệm tương ứng với chuỗi mã C(n) và sau đó thực hiện xử lý tương quan để có được thơng tin về tham số pha và biên độ kênh thu Hình 2 3 minh họa sơ đồ khối tính tốn sai số và hiệu chuẩn một kênh thu như đã trình bày
Hình 2 3 Sơ đồ khối đo và hiệu chuẩn một kênh thu
Khi hai tín hiệu cùng phổ tần, cùng tồn tại trên miền thời gian sẽ dẫn tới can nhiễu lẫn nhau và thường được gọi là nhiễu đa truy cập [60] Sự gây nhiễu lẫn nhau giữa hai tín hiệu dẫn tới hai vấn đề phát sinh Đó là: đảm bảo chất lượng tín hiệu thu và đảm bảo chất lượng hiệu chuẩn Để chất lượng hiệu chuẩn tốt thì cơng suất THHC cần đủ lớn Tuy nhiên, khi tăng công suất
THHC sẽ đồng nghĩa với việc gây nhiễu cho tín hiệu thu Để giải quyết mâu thuẫn trên, hai vấn đề được giải quyết như sau:
1) Vấn đề thứ nhất - Đảm bảo chất lượng tín hiệu thu Muốn vậy, THHC
phải có cơng suất trung bình rất thấp [34] Tuy nhiên, do các bộ biến đổi ADC có số bít giới hạn, và tạp nội bộ máy thu thường chỉ chiếm trong vài bít thấp của ADC Trong khi đó, tín hiệu thu thường rất nhỏ, thường chỉ chiếm trong 1-2 bít thấp ADC Nếu THHC liên tục, có mức cơng suất thấp thì giá trị của nó có thể nhỏ hơn 1 bít ADC [34], dẫn tới làm phức tạp cho thuật toán xử lý
[59] Bên cạnh đó, THHC càng nhỏ thì u cầu về số lượng mẫu THHC cần tích lũy cho xử lý tương quan sẽ là rất lớn để đảm bảo chất lượng hiệu chuẩn, dẫn tới phải tăng tài nguyên phần cứng [34] Do vậy, dạng điều chế biên độ theo mã OOK được đề xuất, với THHC có cơng suất đỉnh tương đương cơng xuất nội tạp Dễ dàng thấy rằng, THHC khơng nhỏ hơn 1 bít ADC sẽ đảm bảo thuận lợi khi lọc, tách THHC Hơn nữa, THHC có mã OOK với mức "On" xuất hiện ngẫu nhiên, có hệ số điều chế D (Duty cycle) nhỏ, có cơng suất trung bình thấp hơn nhiều cơng suất nội tạp (bằng D lần công suất nội tạp với
D 1), do vậy nó khơng ảnh hưởng đến đặc tính kênh thu cũng như đặc tính
của nhiễu Mức cơng suất trung bình của THHC quyết định bởi hệ số D, việc lựa chọn giá trị D liên quan đến mức nhiễu ảnh hưởng đến tín hiệu thu và chất lượng hiệu chuẩn sẽ được phân tích ở phần sau Dạng THHC có điều chế biên theo mã OOK được minh họa trên hình 2 4 với D = 1/16
Hình 2 4 Minh họa THHC đưa vào tuyến thu
2) Vấn đề thứ hai - Đảm bảo chất lượng hiệu chuẩn Như đã phân tích,
cách xử lý tương quan THHC Với chuỗi THHC được tích lũy càng dài thì độ chính xác càng cao Ngồi ra, khi biên độ tín hiệu thu lớn, thậm chí gây bão hịa kênh thu thì chất lượng lọc và xử lý thơng tin có trong THHC sẽ bị ảnh hưởng Để giảm thiểu và khắc phục hiện tượng này, giải pháp xây dựng bộ
phát hiện tín hiệu thu lớn được đề xuất Cụ thể, cơng suất kênh thu được đo
tức thời, khi nó lớn hơn cơng suất nội tạp đến một mức ngưỡng xác định nào đó (có điều chỉnh) thì các mẫu THHC ở thời điểm đó sẽ khơng được tích lũy Việc chọn ngưỡng sẽ được phân tích ở phần sau với yêu cầu về sai số đo Hình 2 5 minh họa cách loại bỏ những mẫu THHC khi tín hiệu thu lớn, điều này có ý nghĩa thực tế rất lớn do nó làm ảnh hưởng đến chất lượng hiệu
chuẩn Tuy nhiên, nội dung này chưa được xem xét một cách đầy đủ trong các tài liệu [34, 81]
Hình 2 5 Minh họa mẫu THHC bị loại khi tín hiệu thu lớn
Từ những lập luận theo đề xuất ở trên, có thể hình thành các bước tạo THHC; đo sai lệch tham số và hiệu chuẩn các kênh thu như trên hình 2 6 Theo đó, THHC được sinh ra từ bộ tạo tín hiệu được trích vào kênh thu cùng với tín hiệu thu Tín hiệu trung tần IF ở đầu ra MĐTP được số hóa và giải
điều chế số Sau đó, dữ liệu được phân theo 3 nhánh: các phần tử đo công suất nội tạp và đo công suất kênh thu làm cơ sở cho phần tử lọc loại bỏ mẫu có tín hiệu thu lớn Tiếp sau là các mẫu tín hiệu sẽ được ghi lưu đồng bộ với mã OOK cùng chuỗi mã pha C(n) tương ứng nhằm để tách thành phần THHC trong tín hiệu tổng hợp Khi bộ đệm đủ N mẫu theo yêu cầu, thực hiện xử lý tương quan và ước lượng tham số biên độ và pha kênh thu Hai tham số này sẽ được sử dụng để hiệu chuẩn tín hiệu các kênh thu trước khi chúng được đưa tới