STT Số Slice Registers Số Slice LUTs Số cặp LUT- FF Số IOBs Giải pháp đề xuất 80 133 75 40 Giải pháp [34] 91 151 91 49
Những phân tích, trình bày chi tiết các thuật tốn và chu trình hiệu chuẩn đã cho thấy ưu điểm của cấu trúc tín hiệu đã nghiên cứu. Đó là: ngun lý đo
95
đơn giản; dễ lập trình phần mềm và tối ưu tài nguyên xử lý. Hơn nữa, nó cho phép thay đổi linh hoạt các tham số THHC theo yêu cầu.
Phần tiếp theo sẽ kiểm nghiệm kết quả hiệu chuẩn với các thuật toán và chu trình đã tổng hợp trên cơ sở mơ hình thực tế hệ thống AMPS cỡ nhỏ nhằm kiểm nghiệm tính đúng đắn của các kết quả nghiên cứu lý thuyết.
4.2. Thực nghiệm các nội dung nghiên cứu đã đề xuất
Mơ hình thử nghiệm là hệ thống AMPS cỡ nhỏ, với đầy đủ các thành phần cấu thành nên một hệ thống hoàn chỉnh. Hệ thống AMPS gồm bốn kênh thu/phát độc lập có tích hợp hệ con hiệu chuẩn theo cách tiếp cận mới được đề xuất. Các thành phần cấu thành hệ thống được xây dựng, thiết kế, chế tạo và kiểm tra đầy đủ sau khi lắp ráp. Trên cơ sở đó, các thuật tốn và chu trình hiệu chuẩn được xây dựng hoàn thiện từ khi đo đạc, kiểm nghiệm trong phịng thí nghiệm và khi hệ thống đưa vào hoạt động.
4.2.1. Xây dựng mơ hình thực nghiệm
Hình 4.15. Sơ đồ khối hệ thống AMPS thử nghiệm
Các thành phần cơ bản của hệ thống AMPS có tích hợp hệ con hiệu chuẩn nội kênh thu đã được chỉ ra trên sơ đồ khối hình 2.1. Dựa trên các nghiên cứu, đề xuất đã được trình bày trong các chương trước, mơ hình hệ thống được xây dựng với các thành phần cụ thể. Hệ thống gồm bốn kênh thu/phát và hệ con
96
đo kiểm, phần hiển thị và đánh giá kết quả sẽ được bổ sung để phục vụ cho quá trình thử nghiệm. Sơ đồ khối của mơ hình thử nghiệm cụ thể như trên hình 4.15.
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). Chi tiết cụ thể từng thành phần được trình bày trong phần phụ lục.
Các thành phần chính của hệ thống AMPS bốn kênh đã được lắp ráp và kiểm tra hoàn chỉnh, từ các thành phần tương tự đến phần số đều cho kết quả theo tính tốn cơ bản như thiết kế ban đầu. Hệ thống sau khi được lắp ráp hồn chỉnh thể hiện trên hình 4.16 dưới đây. Các thành phần chính được chỉ rõ trên hình. Hệ thống được lắp ráp thuận tiện cho việc kiểm tra và đánh giá.
97
4.2.2. Thực hiện các chu trình hiệu chuẩn
Trong quá trình hiệu chuẩn, dao động LO từ máy phát ngoài được sử dụng với tần số 1480 MHz, công suất 18dBm đưa tới mảng tạo và phân phối tín hiệu (B), các tham số đầu ra LO1-4, RF1-4 đã đáp ứng được yêu cầu như thiết kế được chỉ ra trong phần phụ lục bảng B.2. Các chu trình hiệu chuẩn được thực hiện như sau:
4.2.2.1. Thực hiện chu trình hiệu chuẩn tĩnh
Như đã trình bày, chu trình này để đo mối quan hệ các tham số tĩnh. Sơ đồ kết nối được thể hiện như trên hình 4.17.
Hình 4.17. Sơ đồ kết nối thực hiện chu trình hiệu chuẩn tĩnh
Các bước đo thực hiện như sau:
+ Bước 1: Cấp THHC tới đầu vào mỗi kênh thu qua bộ chia công suất 1:4.
Tiến hành đo và tính tốn các tham số F1 (rk k 2 4) (a k1 1r) / ((a kk kr) theo cơng thức (4.2), ta có được kết quả như trên bảng 4.2.
Bảng 4.2. Đo tham số F1 (rk k 2 4)
Hệ số F12r F13r F14r Chú thích
98
+ Bước 2: Cấp THHC theo đường hiệu chuẩn chuyên dụng. Tiến hành đo
và tính tốn các tham số K1 (rk k 2 4) (k k1 1r) / (k kk kr) theo công thức (4.4), ta có được kết quả như trên bảng 4.3.
Bảng 4.3. Đo tham số K1 (rk k 2 4)
Hệ số K12r K13r K14r Chú thích
Giá trị o
j1
1,1e 0,98ej2o 0,95ej26o Đo ở tần số 1570MHz
Từ đó ta có bảng hệ số hiệu chuẩn tĩnh được tính tốn theo cơng thức tính (4.6) K1 (k k 2 4) F1rk / K1rk (a k1 k) / (a kk 1) như trên bảng 4.4 dưới đây.
Bảng 4.4. Đo tham số K1 (k k 2 4)
Hệ số K12 K13 K14 Chú thích
Giá trị 0,82ej9o 0,87ej3o 1,16ej4o Đo ở tần số 1570MHz
Về nguyên tắc, các hệ số này phải đo trên toàn bộ dải tần làm việc của hệ thống [31] vì ở các dải tần khác nhau thì sai số tĩnh khác nhau do độ dài đường dẫn tín hiệu, tham số chế tạo mạch là khác nhau. Tùy theo yêu cầu, độ chính xác và mức độ sai lệch mà độ lệch của các tần số cần đo được lựa chọn cho phù hợp.
4.2.2.2. Thực hiện chu trình hiệu chuẩn động
Hiệu chuẩn động là sử dụng THHC cấp theo đường hiệu chuẩn chuyên dụng để đo các tham số kênh thu thay đổi trong khi hệ thống đang làm việc. Quá trình này phải thực hiện liên tục cùng với q trình thu. Ta có sơ đồ kết nối thử nghiệm thiết bị ngồi thực địa như trên hình 4.18.
Như trên hình, tín hiệu thu nhận được qua ăng ten từ một máy phát đặt ở trường xa. Ăng ten gồm 4 chấn tử, được chế tạo bằng mạch dải có độ dài là 30cm, vậy trường xa của nó lớn hơn 2m [84] (trong thử nghiệm để xa 6m). Tín hiệu từ máy phát là tín hiệu dao động đơn hài dạng xung để ta có thể dễ
99
dàng quan sát được mỗi quan hệ pha và biên độ của chúng trước và sau khi hiệu chuẩn. Khi hiệu chuẩn động, ta có thể thay đổi một số điều kiện hoạt động để tham số của MĐTP thay đổi. Từ đó kiểm chứng được tính hiệu quả của giải pháp hiệu chuẩn đã đề xuất.
Hình 4.18. Sơ đồ kết nối thử nghiệm chu trình hiệu chuẩn động
Giả sử yêu cầu sai số hiệu chuẩn nhỏ hơn 0,6o và 0,1dB. Vậy số xung cần tích lũy N = 105. Các bước thực hiện chu trình hiệu chuẩn tiến hành như sau:
+ Bước 1: Cấp liên tục THHC theo các đường cấp chuyên dụng, đo các
tham số kênh thay đổi theo biểu thức (3.8) K1 (rj j' 2 4) R1' /R'j.
+ Bước 2: Tính tốn hệ số hiệu chuẩn động theo công thức (3.9)
' '
1 ( 2 4) 1 1
r r
j j j j
F K K
+ Bước 3: Lấy kênh 1 làm chuẩn, hiệu chuẩn các kênh thu theo biểu thức
100
Ba bước nêu trên tương ứng với một chu trình hiệu chuẩn và được lặp lại trong toàn bộ thời gian hoạt động của hệ thống. Quan sát kết quả hiệu chuẩn trên máy tính với giao diện Chipcore được tích hợp trên phần mềm ISE của hãng Xilinx gần tương tự như một chiếc hiện sóng số. Qua quan sát, kết quả thể hiện trên hình 4.19 và hình 4.20 cho thấy các kênh sau hiệu chuẩn có sự cân bằng tốt về pha và biên độ. Để biết chính xác các sai số sau hiệu chuẩn, việc tính tốn quan hệ pha và biên độ của các dao động đơn hài các kênh thu được thực hiện bằng phép biến đổi FFT, kết quả thể hiện trên hình 4.21.
.
101
Hình 4.20. Tín hiệu bốn kênh trước và sau khi hiệu chuẩn
Các kết quả đo thực hiện sau mỗi khoảng thời gian, sai số pha của các kênh 2,3,4 so với kênh 1 là 0.8o, 0,7o, 0,8o, sai số biên độ của các kênh 2,3,4 so với kênh 1 là 0,14dB, 0,12dB, 0,11dB. Dễ thấy sai số khi thử nghiệm lớn hơn yêu cầu ban đầu một lượng nhỏ không nhiều, điều này do nhiều nguyên nhân như sai số tính tốn các hệ số, sai số do lượng tử, sai số do sự khơng hồn hảo của phần cứng v.v. Để giảm sai số ta có thể tăng số điểm tích lũy N.
Hình 4.21. Sai số pha và biên độ sau hiệu chuẩn
Thực hiện tạo GĐH số thu theo các góc khác nhau sau khi hiệu chuẩn, so sánh với GĐH hướng mô phỏng ta có kết quả như trên hình 4.22. Các GĐH được hình thành ở các góc 0o, ±10o, ±20o, ±30o, ±40o. Kết quả thực nghiệm trên hình 4.22b cho kết quả tốt khi so sánh với GĐH mô phỏng (hình 4.22a)
102
với góc hướng chính sai lệch nhỏ hơn 0,3o, biếu chính suy hao dưới 1dB. Với kết quả hình thành GĐH số qua thực nghiệm, cho thấy rằng các thuật tốn và quy trình hiệu chuẩn đề xuất là đáng tin cậy.
B iê n đ ộ c h u ẩ n h ó a ( d B ) B iê n đ ộ c h u ẩ n h ó a ( d B )
Hình 4.22. GĐH thu theo một số góc a) Mơ phỏng, b) Thực nghiệm
4.2.3. Đánh giá ảnh hưởng của THHC
Xuyên suốt trong luận án, ảnh hưởng của THHC đến tín hiệu thu được xem như một loại nhiễu ngoài, 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 q 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
103
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
104
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.
105
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 quá 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 hoàn 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
106
hoàn 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 không 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 toán 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, phòng thí nghiệm.
107
B. Hướng phát triển của luận án
Để hoàn thiện hơn các kết quả nghiên cứu đã đạt được, chúng tôi định