Xuyên suốt trong luận án, ảnh hưởng của THHC đến tín hiệu thu được xem như một loại nhiễu ngồi, và các phân tích ln giả thiết rằng nội tạp của hệ thống có phân bố chuẩn Mức độ ảnh hưởng của THHC đến tín hiệu thu được đánh giá qua phân tích tham số nhiễu khi “có” và “khơng có” THHC Nội tạp của các kênh thu sau DDC và tổng hợp bốn kênh được ghi nhận trong quá trình thử nghiệm có dạng như trên hình 4 23 Phân tích hàm mật độ phổ của nhiễu ta có kết quả như trên hình 4 24 Dễ nhận thấy rằng nhiễu kênh thu có dạng phân bố gần dạng phân bố chuẩn Khi số kênh thu càng lớn thì
Biên độ chuẩn hóa (dB)
dạng nhiễu sau tổng hợp GĐH càng tiệm cận đến phân bố chuẩn Như vậy, các kết quả thu được qua phân tích, mơ phỏng với giả thiết nhiễu tạp phân bố chuẩn là hồn tồn chính xác Do đó, các kết quả đạt được khi nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng với cấu trúc THHC đã đề xuất là hồn tồn đáng tín cậy
Hình 4 23 Nội tạp các kênh thu
Hình 4 24 Mật độ phân bố của nhiễu tạp
Vậy qua mơ hình thử nghiệm thực tế, đề xuất mới về giải pháp hiệu chuẩn nội theo TGT cho kết quả tốt Qua kiểm nghiệm trên hai vấn đề lớn của hiệu chuẩn là chất lượng hiệu chuẩn và tác động qua lại giữa quá trình hiệu chuẩn và quá trình thu, xử lý đều thỏa mãn đáp ứng so với các kết quả nghiên cứu lý thuyết, mơ phỏng đã trình bày ở các chương 2 và 3 Như vậy, với một chỉ tiêu
sai số đã đặt ra và kết quả thực nghiệm đạt được cho thấy việc ước lượng sai số theo lý thuyết khá sát với thực tế Điều đó cho thấy miền ứng dụng khi nghiên cứu lý thuyết là hoàn toàn đáng tin cậy khi ứng dụng vào thực tiễn với một hệ thống có yêu cầu chất lượng hiệu chuẩn nhất định
4 3 Kết luận chương
Chương 4 trình bày các kết quả nghiên cứu tổng hợp các giải thuật và chu trình hiệu chuẩn nội kênh thu của các MĐTP trong hệ thống AMPS Các kết quả cụ thể của chương như sau:
1) Tổng hợp giải thuật đo, hiệu chuẩn trên cơ sở phân tích, tổng hợp các sơ đồ cấu trúc, sơ đồ chức năng các mô đun, các khâu quan trọng của hệ con hiệu chuẩn tích hợp trong AMPS theo giải pháp đã đề xuất Trong đó, lược đồ thuật tốn mơ đun “Ước lượng tham số đo” (hình 4 8) là kết quả của việc nghiên cứu, phân tích để có sự phân chia hợp lý, tối ưu chức năng, nhiệm vụ cho tài nguyên phần cứng và yêu cầu đối với phần mềm
2) Đã tổng hợp và hình thành hai chu trình hiệu chuẩn tĩnh và động với các bước thực hiện cụ thể, tường minh và đặc biệt thuận tiện cho việc đảm bảo khả năng cụ thể, hiện thực hóa chúng đối với các mơ hình thực tế
3) Đã xây dựng mơ hình thử nghiệm thực tế với hệ thống AMPS gồm 04 kênh thu băng L có tích hợp hệ con hiệu chuẩn nội, TGT kênh thu (hình 4 15) theo các nội dung đã nghiên cứu Các thuật tốn và chu trình được thử nghiệm cho thấy, hiệu quả của các nội dung nghiên cứu lý thuyết có khả năng ứng dụng vào thực tiễn, đáp ứng thiết thực yêu cầu hiệu chuẩn cho một lớp các hệ thống AMPS nhất định
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
AMP nói chung và AMPS nói riêng là thành quả quan trọng của sự tiến bộ khoa học kỹ thuật và công nghệ trong lĩnh vực VTĐT, là thành tố đặc biệt quan trọng để hình thành phát triển các phương tiện, tổ hợp hệ thống kỹ thuật đa chức năng nhờ vào việc thiết lập GĐH có hình dạng và vị trí khơng gian chính xác trong thời gian thực Để duy trì hệ thống có hiệu suất cao thì bài tốn đo lường, hiệu chuẩn TGT chiếm một vai trò quan trọng Đề tài luận án
“Nghiên cứu nâng cao chất lượng hiệu chuẩn nội thời gian thực kênh
thu
trong các hệ thống vô tuyến sử dụng ăng ten mảng pha số” là kết quả
của quá
trình nghiên cứu và tiếp bước phát triển các giải pháp đo lường, hiệu chuẩn hệ thống AMPS nhằm duy trì các tính năng của hệ thống trong q trình hoạt động Trong đó, tập trung nghiên cứu vấn đề hiệu chuẩn nội TGT kênh thu của tập các MĐTP để đảm bảo chất lượng hình thành GĐH thu số và q trình thu, xử lý tín hiệu Trên cơ sở tổng hợp, phân tích các phương pháp, giải pháp kỹ thuật mới nhất có liên quan tới nội dung nghiên cứu đã được công bố, luận án đã đề xuất giải pháp mới trong giải quyết bài toán hiệu chuẩn nội, TGT kênh thu nhằm khắc phục một số hạn chế còn tồn tại
Hiệu quả của các giải pháp đề xuất đã được phân tích trên cơ sở lý thuyết, được minh chứng qua dữ liệu mơ phỏng và mơ hình thực nghiệm, được tiến hành so sánh, đánh giá với các công bố trước đây Kết quả cho thấy các giải pháp đề xuất đạt được hiệu quả và độ tin cậy cao, cụ thể như sau:
A Một số đóng góp mới của luận án
Các giải pháp đề xuất trong luận án được trình bày xuyên suốt qua bốn bài báo khoa học [CT1-CT4] Nội dụng nghiên cứu lý thuyết được phân tích, đánh giá một cách hồn chỉnh ở tất cả các khía cạnh, sự ảnh hưởng và tác động trong quá trình hiệu chuẩn Ở nội dung thực nghiệm đã đánh giá được các giải pháp nghiên cứu lý thuyết với một mơ hình hệ thống AMPS cỡ nhỏ
hồn chỉnh Từ các nội dung nghiên cứu, các giải pháp đã đề xuất, luận án tổng hợp lại thành hai đóng góp mới như sau:
1 Đề xuất một dạng tín hiệu hiệu chuẩn mới cho kênh thu của hệ thống vô tuyến sử dụng ăng ten mảng pha số Tín hiệu hiệu chuẩn là tín hiệu giả trực giao, đa điều chế, gồm điều chế pha theo mã BPSK và điều chế biên độ theo mã OOK, có cùng tần số với tín hiệu thu và có cơng suất đỉnh tương đương với cơng suất nội tạp
Với cấu trúc tín hiệu đề xuất, tham số pha và biên độ kênh thu được đo với một độ chính xác cao, trong thời gian thực, ảnh hưởng khơng đáng kế đến chất lượng tín hiệu thu Với giải pháp đơn giản tạo tập THHC giả trực giao và cách thức phân phối chúng đến từng MĐTP đã làm giảm yêu cầu phức tạp trong thiết kế hệ thống [CT1-3]
2 Tổng hợp các thuật tốn và chu trình hiệu chuẩn dựa trên THHC đã đề xuất Các thuật tốn và chu trình được thử nghiệm thực tế trên hệ thống AMPS 4 kênh thu băng L Kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu quả của các nội dung nghiên cứu lý thuyết có khả năng ứng dụng vào thực tiễn, đáp ứng thiết thực yêu cầu hiệu chuẩn cho một lớp các hệ thống AMPS nhất định [CT4]
Các thuật tốn và chu trình hiệu chuẩn cho thấy sự đơn giản trong thực hiện, tối ưu tài nguyên và phù hợp với điều kiện kỹ thuật thực tiễn trong nước không chỉ trong khai thác sử dụng mà kể cả kiểm nghiệm tại nhà máy, phịng thí nghiệm
B Hướng phát triển của luận án
Để hoàn thiện hơn các kết quả nghiên cứu đã đạt được, chúng tôi định hướng nghiên cứu trong thời gian tới như sau:
1 Tăng số lượng MĐTP và mở rộng sang các dải tần làm việc khác trong quá trình thử nghiệm để thấy được các ưu điểm và hạn chế còn tồn tại
2 Tiếp tục hồn thiện, tối ưu các thuật tốn, nhất là với các hệ thống lớn để nâng cao chất lượng hiệu chuẩn và tối ưu tài nguyên xử lý
3 Nghiên cứu các hệ thống ra đa mảng pha được biên chế trong quân đội hiện nay, mà trong đó chưa có hệ con hiệu chuẩn TGT, từ đó để ứng dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống
PHỤ LỤC A Xây dựng mơ hình AMPS cho thử nghiệm
Để thử nghiệm các kết quả nghiên cứu của luận án, một mơ hình hệ thống AMPS cỡ nhỏ được chế tạo Hệ thống gồm bốn kênh thu/phát, có đầy đủ các khâu, thành phần cấu tạo nên hệ thống hồn chỉnh Sơ đồ khối của mơ hình thử nghiệm như trên hình A 1
Các thành phần chính của hệ thống gồm: Mảng các MĐTP (A), mảng tạo và phân phối tín hiệu (B), mảng biến đổi tín hiệu trung tần IF (C), và mảng xử lý (D)
Hình A 1 Sơ đồ khối hệ thống AMPS thử nghiệm
Chi tiết cụ thể từng thành phần được trình bày ở các mục dưới đây A 1 Mảng các MĐTP (A)
Cấu trúc một MĐTP tích hợp hệ con hiệu chuẩn thể hiện trên hình A 2 Các khối vẽ màu cam nét đứt được bổ sung so với các MĐTP thơng thường để phục vụ cho q trình hiệu chuẩn
MĐTP được thiết kế thực hiện thu/phát tín hiệu cao tần RF ở băng tần L (1560 MHz – 1590 MHz) Đầu vào RF của mơ-đun nhận tín hiệu cao tần RF từ mạng phân phối tín hiệu trong cả chế độ phát và chế độ thu Trong chế độ thu, THHC điều chế mã pha BPSK và mã biên độ OOK được trích tới đầu vào kênh thu qua cơ cấu chuyển mạch CM1 và mạch Ghép định hướng để hiệu chuẩn kênh thu như trình bày trong chương 2 THHC đi vào kênh thu cùng với tín hiệu thu nhận từ ăng ten, hai tín hiệu này qua các phần tử trong đường thu như linh kiện bảo vệ đầu vào Limiter, khuếch đại tạp âm thấp LNA, bộ suy giảm SG và bộ khuếch đại KĐ Sau đó, tín hiệu qua chuyển mạch CM2 tới bộ trộn tần cùng với tín hiệu ngoại sai LO để thực hiện chuyển phổ tín hiệu tới tần số trung tần IF 90 MHz Toàn bộ đường thu trong MĐTP được tính tốn để hệ số khuếch đại khoảng 25dB
Như đã trình bày, các linh kiện chuyển mạch cao tần CM, linh kiện suy giảm SG, mạch ghép định hướng thêm vào MĐTP để thực hiện quá trình hiệu chuẩn nội TGT tuyến thu và tuyến phát Các chuyển mạch CM, suy giảm SG là các linh kiện cao tần thơng thường, cịn mạch ghép định hướng là mạch bốn cổng, hai cổng để couple khi hiệu chuẩn thu/phát, hai cổng vào/ra tính hiệu cao tần Trong luận án, mạch này được đặt ở vị trí gần với ăng ten nhất để đảm bảo toàn bộ các thành phần trong kênh thu đều nằm trong vòng hiệu chuẩn [34], khác với mơ hình trong [23-26] khi chuyển mạch thu phát CMTP nằm ngồi vịng hiệu chuẩn Hình A 3 minh họa mạch ghép bốn cổng cùng với đường đi tín hiệu và các tham số của nó Các hệ số couple khoảng -20dB để đảm bảo các đường mạch couple không ảnh hưởng đến đường dẫn tín hiệu
chính P1-P2 Các bộ suy giảm SG khoảng 40dB, như vậy mức cách ly từ đầu nối T2 vào kênh thu khoảng -60dBc
Hình A 3 Cấu trúc mạch ghép định hướng
Từ các phân tích trên, ta có sơ đồ đường đi THHC khi hiệu chuẩn thu như trên hình A 4 Các đầu nối THHC được ghép cặp mô-đun, với hệ thống gồm bốn MĐTP ta sẽ ghép hai cặp (MĐTP1-MĐTP2) và (MĐTP3-MĐTP4)
Hình A 4 Đường đi của tín hiệu trong chế độ thu-hiệu chuẩn
A 2 Mảng tạo và phân phối tín hiệu (B)
Mảng tạo và phân phối tín hiệu (B) gồm hai thành phần là bộ tạo tín hiệu RF, LO (B1) và mạng phân phối tín hiệu (B2) Các thành phần và chức năng của nó thể hiện trên hình A 5
Khối B1 tạo ra tín hiệu dao động ngoại sai đơn hài LO (Hoặc có thể cấp từ máy phát ngồi) trong dải tần 1470–1500 (MHz) Tín hiệu trung tần điều chế
IFđc (90MHz) từ mảng xử lý được trộn tần với tín hiệu LO để tạo ra tín hiệu cao tần RF Hai tín hiệu cao tần RF, LO được đưa tới mảng B2 để phân phối tín hiệu cho các MĐTP Dao động LO được phân chia thành bốn đường ra LO1-LO4 bằng bộ chia cơng suất Wilkinson 1:4 Tín hiệu cao tần RF sau khi qua bộ chia công suất 1:4 được thêm các chuyển mạch CM để điều chế biên độ theo mã OOK tạo ra tập THHC giả trực giao như đã đề xuất
Công suất đầu ra LO1-LO4 tương ứng với yêu cầu đầu vào mức LO của bộ trộn trong MĐTP, tầm khoảng 5-10dBm (Với IC trộn tần là ADE-30+) Trong khi công suất RF1-RF2 khác nhau ở hai chế độ phát và hiệu chuẩn thu, khi hiệu chuẩn mức THHC yêu cầu bằng mức nội tạp khi trích vào kênh thu Tín hiệu qua mạch couple và bộ SG cách ly khoảng -60dBc, mức nội tạp với dải thông tuyến thu khoảng 20MHz khoảng -100dBm Vậy cơng suất ra RF1- RF2 khi hiệu chuẩn ước tính khoảng -40dBm
Hình A 5 Cấu trúc mảng tạo và phân phối tín hiệu
A 3 Mảng biến đổi tín hiệu trung tần IF (C)
Mảng này có chức năng nhận bốn tín hiệu trung tần IF1-IF4 từ đầu ra bốn đường thu của MĐTP, sau đó sử dụng các bộ lọc dải thông tần số trung tâm 90MHz, dải thông 20MHz để loại bỏ các hài khơng mong muốn Tín hiệu IF
sau lọc được khuếch đại lên mức cần thiết với hệ số khoảng 40dB Sau đó tín hiệu được số hóa để được các tín hiệu trung tần số IFs1-IFs4 đưa tới mảng xử lý cho việc xử lý tiếp theo Trong luận án này, sử dụng bộ số hóa ADC 8 bít (AD9283BRSZ-50), với tần số lấy mẫu là 40MHz Hình A 6 minh họa các thành phần và tham số của mảng
Hình A 6 Cấu trúc mảng biến đổi tín hiệu trung tần IF
Như vậy đến đây ta thấy, tín hiệu tồn bộ kênh thu được khuếch đại khoảng 65dB Dải thông kênh thu là 20MHz, theo [71] công suất nội tạp xấp xỉ -100dBm Vậy công suất nội tạp mỗi tuyến thu vào ADC khoảng -35dBm ADC có mức đầu vào lớn nhất là ±512 mVp-p, với số bít ADC là 8, do đó cơng suất ứng với 1 bít ADC khoảng -35dBm Như vậy việc lựa chọn các tham số trên là hoàn toàn phù hợp
Ta thấy rằng, với tần số xung nhịp lấy mẫu là 40MHz, tín hiệu đầu vào ADC có tần số trung tâm là 90MHz, không tuân theo nguyên lý lấy mẫu Nyquist-Shannon [72]; do vậy tín hiệu trung tần số IFs sau ADC sẽ giảm xuống tần số là 10MHz (90 – 2*40 = 10)
A 4 Mảng xử lý (D)
Mảng xử lý là trái tim của hệ thống AMPS, có nhiệm vụ xử lý, điều khiển và đồng bộ tồn hệ thống; đồng thời với hệ thống có tích hợp hệ con hiệu chuẩn số thì nó cịn thêm chức năng đo kiểm và hiệu chuẩn Hình A 7 minh họa các khối chức năng của mảng
(D)
Khối hiệu chuẩn (D4)
Khối giải điều chế số (D3) Máy tính Đo và đánh giá các tham số sau hiệu chuẩn (D5) Điều khiển Chuẩn LAN Đo và hiệu chuẩn-1 …………… Đo và hiệu chuẩn-4
Khối điều khiển chung (D1) I/Q1 I/Q4 DDC1 …………… DDC4 Khối tổ hợp tần số DDS (D2) IFs1 IFs4 IFđc Hình A 7 Cấu trúc mảng xử lý
A 4 1 Khối điều khiển chung (D1)
Khối điều khiển chung (D1) giao tiếp với máy tính theo chuẩn giao thức Internet để truyền/nhận tham số và lệnh điều khiển cần thiết Khối giao tiếp với các phân khối khác để điều khiển, xử lý và đồng bộ chung toàn hệ thống
A 4 2 Khối tổ hợp tần số DDS (D2)
Khối tổ hợp tần số trực tiếp DDS (Direct Digital Synthesizer) (D2) tạo ra tín hiệu trung tần điều chế IFđc Khối D2 sử dụng vi mạch tổ hợp tần số AD9910 để tạo ra tín hiệu có mã điều chế mong muốn Đây là vi mạch rất thuận tiện để tạo ra tín hiệu với tất cả các loại điều chế như điều tần, điều pha và điều biên Khối nhận lệnh điều khiển từ khối D1, đó là các xung điều khiển pha, mức công suất đầu ra, cùng với chế độ hoạt động tương ứng của hệ thống như thu/phát Tín hiệu trung tần đầu ra IFđc của khối có tần số 90MHz, được điều chế pha tương ứng cho các chế độ phát và hiệu chuẩn kênh thu Khi hiệu chuẩn kênh thu, tín hiệu được điều chế pha theo mã nhị phân ngẫu nhiên BPSK với tần số xấp xỉ độ rộng phổ tín hiệu thu, cơng suất được điều chỉnh để có mức cơng suất RF1-RF4 ra ở mảng B như tính tốn ở trên