1.3. Hiệu chuẩn trong các hệ thống AMPS
1.3.2. Hiệu chuẩn nội TGT trong các hệ thống AMPS
1.3.2.1. Khái niệm và đặc điểm hiệu chuẩn thời gian thực
Khái niệm “Thời gian thực” được hiểu như thế nào trong bài toán hiệu chuẩn hệ thống AMPS. Thuật ngữ “Thời gian thực” trong tiếng Anh là “Real- time”, khi đề cập đến một hệ thống có tính TGT có nghĩa là hệ thống đó có khả năng điều khiển, truyền thông tin ở tốc độ gần như ngay lập tức hoặc có tốc độ đáp ứng với sự thay đổi của tiến trình chủ. Như vậy, TGT khơng có nghĩa là “nhanh” mà là nó đáp ứng kịp thời được cơng việc trong một khoảng thời gian cho phép. Có hai tham số thời gian khi đánh giá tính TGT của một hệ thống, đó là: Ci chỉ thời gian xảy ra một sự thay đổi, Ti chỉ thời gian phát hiện sự thay đổi và thực hiện xử lý sự thay đổi đó. Nếu một hệ thống đáp ứng yêu cầu Ti < Ci thì được gọi là hệ thống TGT.
Như vậy, hiệu chuẩn TGT là chu trình theo dõi liên tục các tham số pha và biên độ của các kênh và thực hiện bù các sai số ngay lập tức trong quá trình hệ thống đang làm việc khi các sai số không đáp ứng yêu cầu cho phép. Ví dụ, ta cần đảm bảo sai số pha các kênh nhỏ hơn 0,5o, các sai lệch này thường
xuất hiện trong khoảng thời gian 1 phút, vì vậy hệ hiệu chuẩn cần đo được sai số nhỏ hơn 0,5o, thời gian đo và hiệu chỉnh sai lệch phải nhỏ hơn 1 phút.
Như đã biết các tham số pha và biên độ tín hiệu đầu ra các kênh thay đổi trong quá trình hệ thống làm việc, sự thay đổi này chủ yếu là do đặc tính phụ thuộc vào nhiệt độ của các linh kiện cấu thành nên các mô-đun như các bộ khuếch đại, bộ lọc, bộ trộn [52, 53]. Hiệu chuẩn TGT cần thực hiện đo kiểm và hiệu chỉnh các sai số đáp ứng được sự thay đổi đó. Do vậy tùy vào đặc điểm trên trong từng hệ thống cụ thể mà việc tính tốn thời gian hiệu chuẩn cho thích hợp. Sự thay đổi tham số linh kiện đã được chỉ ra trong tài liệu hướng dẫn sử dụng các linh kiện như của các bộ khuếch đại tạp thấp LNA [82], khuếch đại công suất PA [83], các bộ trộn, các bộ lọc v.v. Mỗi một loại linh kiện lại có các đặc tính nhiệt khác nhau, trong đó các bộ LNA và PA thường có tham số thay đổi nhiều hơn cả. Thơng thường khi hệ thống bắt đầu hoạt động, nhiệt độ tăng nhanh đồng nghĩa với tham số thay đổi nhiều, ngược lại khi hệ thống đã hoạt động ổn định, nhiệt độ biến động chậm thì tham số dao động không lớn [5]. Do đó, thời gian hiệu chuẩn cần được tính tốn cụ thể tùy thuộc vào đặc tính nhiệt của từng hệ thống, khi hệ thống có khả năng tỏa nhiệt tốt thì tham số thay đổi cũng chậm. Tài liệu khoa học [23] khi khảo sát các MĐTP ở dải tần L-band chỉ ra rằng tham số pha và biên độ biến đổi theo nhiệt độ khoảng 0,16o/1oC và 0,06dB/1oC. Thông thường các MĐTP chế tạo hiện nay để thay đổi được 1oC thì thời gian mất khoảng vài chục giây khi mới khởi động và một vài phút khi hệ thống hoạt động ổn định [5]. Cùng với sự phát triển tốc độ xử lý số hiện nay, việc hiệu chỉnh để bù các thay đổi trên hồn tồn đáp ứng tính TGT.
1.3.2.2. Khái niệm hiệu chuẩn nội
Hiệu chuẩn được thực hiện khi hệ thống được đưa vào hoạt động được gọi là hiệu chuẩn "Online – trực tuyến". Tùy theo cấu trúc của mảng mà quá trình
này có các giải pháp thực hiện khác nhau. Hiện nay, hai phương pháp hiệu chuẩn dùng đầu dò cố định ở trường gần và đường hiệu chuẩn được sử dụng phổ biến. Như đã phân tích, với hệ thống AMPS đa chức năng, GĐH đa búp sóng theo TGT thì hiệu chuẩn cũng cần phải đáp ứng yêu cầu TGT [5, 24-28]. Hầu hết các giải pháp hiệu chuẩn TGT hiện nay đều sử dụng phương pháp đường hiệu chuẩn với một mạng cấp tín hiệu chuyên dụng được tích hợp lên hệ thống để cấp THHC cho toàn bộ các kênh. Giải pháp xây dựng mạng hiệu chuẩn như vậy được gọi là "hiệu chuẩn nội" [33, 34, 48]. Đây là giải pháp
đơn giản trong thiết kế; khơng làm phức tạp hệ thống do có thể tận dụng được tài nguyên hệ thống như các bộ tạo dao động, các đường cấp tín hiệu, các linh kiện và các đầu đo.
Vậy ''Hiệu chuẩn nội thời gian thực" là sự kết hợp từ hai ý trên. Và đây là nội dung chính của luận án để nghiên cứu tìm ra giải pháp mới cho hiệu chuẩn kênh thu trong các hệ thống AMPS.
1.3.2.3. Những nghiên cứu đã được công bố
Có nhiều cơng trình đã được cơng bố với các giải pháp kỹ thuật khác nhau cho bài toán hiệu chuẩn TGT. Các hệ thống hiệu chuẩn truyền thống thường dựa vào đặc điểm các tham số thay đổi theo nhiệt độ của mô-đun mà hiệu chuẩn trong quá trình hệ thống hoạt động. Điều đó được thực hiện bằng cách trước mỗi phiên làm việc của hệ thống, đo tồn bộ tham số của mơ-đun ở tất cả các tần số làm việc trên toàn dải nhiệt độ và lưu vào bảng, sau đó sử dụng các tham số này để hiệu chuẩn theo nhiệt độ khi hệ thống làm việc. Điều này rất khó đảm bảo tính TGT khi hiệu chuẩn và làm loại bỏ các sai số phát sinh không liên quan đến nhiệt độ như sự già hóa của các linh kiện [32].
W. Mark Dorsey cùng với các cộng sự của ơng đã trình bày rất chi tiết giải pháp hiệu chuẩn TGT [16, 54, 55] cho các hệ thống mảng pha trên tàu. Giải pháp mà họ thực hiện là sử dụng vật liệu trong suốt trường điện từ bố trí ở
phía trước mặt mở ăng ten, sau đó dùng các đi-ốt quang trong suốt trường điện từ gắn lên đó, mỗi đi-ốt quang tương ứng với một phần tử ăng ten. Khi cần hiệu chuẩn sẽ kích hoạt cho các đi-ốt này phát xạ tín hiệu trong dải tần mong muốn. Giải pháp này hồn tồn đáp ứng tính TGT trong hiệu chuẩn do có thể thực hiện đồng thời với q trình thu tín hiệu. Tuy nhiên, dễ nhận thấy giải pháp này rất phức tạp, chi phí cao, rất khó thực hiện với điều kiện trong nước hiện nay.
Phương pháp hiệu chuẩn TGT sử dụng phổ biến hiện nay là nhóm các phương pháp tích hợp các đường hiệu chuẩn chuyên dụng như là hệ con không tách rời của mảng. Trong đó, THHC sử dụng được phân chia thành ba nhóm theo cấu trúc tín hiệu, gồm có: phân chia theo tần số, phân chia theo thời gian và phân chia theo mã [35]. Với cấu trúc THHC phân chia theo tần số, THHC và tín hiệu thu có tần số sóng mang khác nhau [5, 23-26, 80]. Đây là nhóm các giải pháp mà q trình hiệu chuẩn và thu tín hiệu có ích xảy ra đồng thời do khác tần số. Khi đó thơng tin về pha và biên độ mỗi kênh thu được tính tốn dựa trên THHC. Với nhóm cấu trúc phân chia theo thời gian, giải pháp được sử dụng là THHC và tín hiệu thu có cùng tần số, ở đó khi hiệu chuẩn sử dụng các khe thời gian chuyên biệt để đo sai lệch các kênh [32, 56]. Như vậy, quá trình hiệu chuẩn sẽ gây gián đoạn hệ thống. Cịn với nhóm cấu trúc phân chia theo mã là việc sử dụng THHC có mã giả tạp, ít tương quan với tín hiệu thu [33-35], và việc đo tham số pha và biên độ các kênh được thực hiện theo nguyên lý tương quan. Với ba dạng THHC nêu trên đều có những ưu điểm và tồn tại các hạn chế, chi tiết cụ thể từng giải pháp như sau:
1) Nhóm giải pháp thứ nhất: phân chia theo tần số [23-26]. Cụ thể, THHC
được sử dụng là tín hiệu đơn hài nằm trong dải tần số hoạt động của kênh thu nhưng nằm ngồi dải thơng của tín hiệu thu. Jame P. Hoffman và các đồng nghiệp đã có một loạt các bài báo về giải pháp hiệu chuẩn này từ năm 2012
[22-29] và có kết quả thử nghiệm tốt trên hệ thống ra đa thế hệ mới SweepSar với dải tần L-Band. Sau thành công ở dải tần L-band, các tác giả hướng tới dải tần Ka-band và Ku-band. Trong ứng dụng thông tin 5G (28GHz), Dong- Chan Kim cùng các cộng sự thực nghiệm với mơ hình gồm 8 kênh thu cho kết quả rất khả quan với sai số pha và biên độ nhỏ hơn 0,9o và 0,5dB.
Khi thực hiện hiệu chuẩn ở giải pháp này, THHC được lọc qua bộ lọc số dải thông hẹp (khoảng vài KHz). Việc đo tham số kênh thu dựa trên việc đo tham số THHC. Cơ sở để thực hiện điều này dựa trên nghiên cứu [52, 57, 58] chỉ ra rằng xu hướng biến đổi theo nhiệt của các linh kiện tích cực là giống nhau. Giải pháp này có ưu điểm là dễ lọc tách hai tín hiệu khác tần số để giảm nhiễu, giải pháp đo đơn giản và thời gian tính tốn nhanh. Bên cạnh ưu điểm trên thì nó cịn tồn tại một số giới hạn như sau: Thứ nhất là, cần mở rộng phổ tần tuyến thu cho THHC. Điều này sẽ làm tăng nội tạp tuyến thu và gặp nhiều khó khăn khi cần thiết kế hệ hiệu chuẩn cho các hệ thống AMPS có sẵn [35].
Thứ hai là, việc sử dụng các bộ lọc số dải hẹp riêng cho THHC sẽ cần nhiều
tài nguyên và việc đo tham số tín hiệu đơn hài cần có các core số chuyên dụng. Điều này sẽ dẫn tới làm tăng tài nguyên xử lý. Hai hạn chế trên có thể được giải quyết bằng việc tăng cường khả năng tích hợp với các loại vi mạch có giá thành thấp. Tuy nhiên, điểm hạn chế thứ ba lại là một thách thức lớn. Như đã biết, tham số các linh kiện điện tử phụ thuộc nhiều vào tần số làm việc và môi trường làm việc. Ở mỗi nhiệt độ, khi tần số khác nhau các bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại và mức dịch pha khác nhau [5, 28]. Việc đo tham số các MĐTP dựa trên THHC sẽ dẫn đến sai số, nhất là đối với hệ thống trải phổ có độ rộng phổ lên tới vài chục MHz [33]. Sự phụ thuộc của tham số vào nhiệt độ trong quá trình hoạt động được minh họa như trên hình 1.12 [5]. Kết quả thử nghiệm trong tài liệu khoa học [5] với hệ truyền thơng 5G cũng cho thấy điều đó, cụ thể sai số được thử nghiệm ở độ lệch tần số giữa hai loại
tín hiệu chỉ khác nhau 2MHz, với các hệ thống trải phổ vài chục MHz thì sai số này có thể lớn hơn rất nhiều.
Hình 1.12. Sự phụ thuộc tham số mơ-đun khi nhiệt độ tăng [5]
Trong [28], cũng cho thấy sự sai lệch hệ số khuếch đại khá lớn theo tần số và nhiệt độ của mơ-đun khi thử nghiệm (trên hình 1.13). Sự chênh lệch hệ số khuếch đại khi khác tần số có thể lên tới 1dB. Và khi đó nó có thể sẽ trở thành sai số nếu khơng có giải pháp khắc phục.
Hình 1.13. Sự phụ thuộc hệ số khuếch đại theo tần số và nhiệt độ [28]
Trường hợp hệ thống AMPS với yêu cầu hiệu chuẩn có độ chính xác cao thì ta cần phải hạn chế nhược điểm trên bằng các cách như: hạn chế dải nhiệt độ hoạt động của các mô-đun bằng các hệ thống làm mát; xây dựng các bảng
tra để ghi lưu lại sự phụ thuộc của các tham số theo tần số và nhiệt độ, sau đó thực hiện bù khi hiệu chuẩn. Tuy nhiên, cách thứ nhất sẽ gây phức tạp trong thiết kế và khá tốn kém. Với cách thứ hai cũng cần tăng chi phí và thời gian để đo trong buồng thử nhiệt, xử lý thống kê dữ liệu và hình thành các bảng tra cứu cho mơ-đun như trên hình 1.14 [28]. Và để kiểm soát nhiệt độ, cần thiết lập các cảm biến nhiệt trong mô-đun đủ lớn. Với hệ thống AMPS có số lượng MĐTP lớn, các giải pháp trên là một thách thức không nhỏ, nhất là với điều kiện trong nước khi mà các trang bị phịng thí nghiệm, kinh nghiệm thiết kế, và kinh phí cịn hạn chế như hiện nay.
Hình 1.14. Buồng thử nhiệt cho các MĐTP [28]
2) Nhóm giải pháp thứ hai: phân chia theo thời gian [32, 56]. Trong đó,
THHC và tín hiệu thu có cùng tần số. Do hai tín hiệu có cùng tần số, nên nó có ưu điểm là phản ánh trung thực các tham số kênh thu từ THHC và sẽ khắc phục được nhược điểm ở giải pháp thứ nhất. Đây là giải pháp được sử dụng khá phổ biến do sử dụng ít tài ngun; xử lý đơn giản và có độ chính xác cao do hai tín hiệu hồn tồn độc lập về thời gian, không gây nhiễu cho nhau. Tuy nhiên, hạn chế của giải pháp này xuất phát từ yêu cầu chất lượng hiệu chuẩn và chất lượng tín hiệu thu. Đó là: để hiệu chuẩn có độ chính xác cao, có tính
TGT thì q trình hiệu chuẩn phải thường xuyên. Điều này sẽ làm gián đoạn và giảm chất lượng tín hiệu thu. Với những hệ thống u cầu thu nhận thơng tin liên tục, thì nó khơng phù hợp do hạn chế khả năng của hệ thống. Ngược lại nếu giảm thời gian hiệu chuẩn thì sai số hiệu chuẩn tăng và khó đảm bảo tính TGT [35]. Nhất là trong tương lai, khi mà các hệ thống ra đa SAR, hệ thống đa chức năng yêu cầu thời gian hoạt động khơng gián đoạn [81].
3) Nhóm giải pháp thứ ba: phân chia theo mã [34-35, 81]. Trong giải pháp này, THHC và tín hiệu thu có cùng tần số và cùng tồn tại trên miền thời gian. Vì vậy, để tránh THHC gây nhiễu cho tín hiệu thu, THHC là tín hiệu được mã pha giả tạp và có cơng suất rất thấp [34]. Mơ hình này chưa được thử nghiệm trên bất kỳ một hệ thống nào. Đây là giải pháp hướng tới các hệ thống với yêu cầu thời gian thu liên tục, không ngắt quãng và mới chỉ được đề xuất, minh chứng qua mô phỏng [34, 81]. Tuy nhiên, nó sẽ rất có triển vọng do khắc phục được một số hạn chế của giải pháp thứ nhất và thứ hai, mà cụ thể là: giải quyết được sự phức tạp khi hiệu chuẩn khác tần số ở giải pháp thứ nhất và yêu cầu thu liên tục ở giải pháp thứ hai.
Trong giải pháp này, THHC được coi là nhiễu ảnh hưởng đến tín hiệu thu, vì vậy cơng suất cần nhỏ hơn so với nội tạp rất nhiều. Điều này sẽ gây khó khăn khi thực hiện số hóa tín hiệu. Vì rằng: các bộ số hóa ADC với dải động giới hạn và khi THHC nhỏ hơn giá trị 1 bít ADC thì phải cần thêm các giải pháp kỹ thuật xử lý phức tạp để đảm bảo chất lượng hiệu chuẩn [59]. Hơn nữa, khi THHC nhỏ mà lại cần đảm bảo việc hiệu chuẩn có sai số nhỏ thì số lượng mẫu xử lý tương quan sẽ là rất lớn. Trong [34, 81], có trình bày kết quả mơ phỏng với các mã khác nhau khi đánh giá cả về chất lượng hiệu chuẩn và chất lượng ảnh tín hiệu thu, trong đó mã hai pha ngẫu nhiên giả tạp đã cho kết quả tốt hơn cả. Tuy nhiên, với số lượng lấy mẫu tín hiệu lớn khoảng 230 mẫu trong 10s, đòi hỏi cần lượng tài nguyên khá lớn khi cần xử lý và lưu trữ tín
hiệu, nhất là với hệ thống có nhiều kênh thu. Ngồi ra, tín hiệu thu tác động như thế nào vào hoạt động hiệu chuẩn, mức tín hiệu thu sẽ ảnh hưởng đến chất lượng hiệu chuẩn ra sao v.v. thì trong các bài báo đã nêu chưa được đánh giá, phân tích cụ thể.
1.3.3. Nhận xét
Từ một số phân tích các kết quả nghiên cứu đã cơng bố ở trên, có thể thấy rằng: các giải pháp hiệu chuẩn TGT vẫn đang được hoàn thiện và thường tập trung theo phương pháp hiệu chuẩn nội sử dụng đường hiệu chuẩn do nó có độ chính xác cao, dễ thực hiện và chi phí thấp hơn các giải pháp khác. Tuy nhiên, mỗi giải pháp còn tồn tại những hạn chế và để khắc phục chúng còn gặp nhiều khó khăn cả trong thiết kế cấu trúc phần cứng cũng như trong xử lý