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

iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa của từ ADC Bộ chuyển đổi tương tự - số Analog-to-Digital Converter AMPS Ăng ten mảng pha số BPSK Mã dịch pha nhị phân Binary Phase Shift Ke

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

TRẦN VIỆT HÙNG

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

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - NĂM 2022

ii

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

TRẦN VIỆT HÙNG

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

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi Các

số liệu, chương trình, kết quả nêu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác Các kết quả

sử dụng tham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ theo đúng quy định

Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2022

Tác giả

Trần Việt Hùng

Tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn tới các thầy, các đồng nghiệp thuộc Viện Tích hợp Hệ thống, Khoa Vô tuyến Điện tử, cùng tập thể cán bộ Phòng Sau đại học/Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo điều kiện thuận lợi, góp

ý, động viên, hợp tác và nhiệt tình hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện luận án Tôi luôn mong đợi và cảm ơn những đóng góp ý kiến của các thầy và các bạn đồng nghiệp Tôi xin tiếp tục cập nhật, sửa chữa và bổ sung để tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu của luận án

i

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 9

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG AMPS VÀ BÀI TOÁN HIỆU CHUẨN 9

1.1 Tổng quan về hệ thống AMPS 9

1.1.1 Những vấn đề chung 9

1.1.2 Phương pháp hình thành GĐH thu số 12

1.2 Những nguồn gây sai số và các phương pháp hiệu chuẩn cơ bản 14

1.2.1 Tổng hợp những nguồn gây sai số trong hiệu chuẩn 14

1.2.2 Ảnh hưởng của sai số đến hình thành GĐH 15

1.2.3 Các phương pháp hiệu chuẩn cơ bản 18

1.2.4 Nhận xét 22

1.3 Hiệu chuẩn trong các hệ thống AMPS 24

1.3.1 Đặc điểm hiệu chuẩn trong các hệ thống AMPS 24

1.3.2 Hiệu chuẩn nội TGT trong các hệ thống AMPS 26

1.3.3 Nhận xét 34

1.4 Đề xuất giải pháp hiệu chuẩn nội theo TGT 35

1.5 Kết luận chương 36

Chương 2 37

HIỆU CHUẨN NỘI THỜI GIAN THỰC KÊNH THU HỆ THỐNG AMPS BẰNG TÍN HIỆU HIỆU CHUẨN ĐA ĐIỀU CHẾ 37

2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống AMPS tích hợp hệ con hiệu chuẩn 37

2.2 Giải pháp sử dụng THHC đa điều chế trong mỗi kênh thu 40

ii

2.3 Ước lượng sai số đo và ảnh hưởng của THHC đến tín hiệu thu 45

2.3.1 Ước lượng sai số đo 45

2.3.2 Phân tích ảnh hưởng của THHC đến tín hiệu thu 49

2.4 Kiểm chứng đề xuất qua mô phỏng 52

2.4.1 Kiểm chứng sai số hiệu chuẩn 52

2.4.2 Đánh giá ảnh hưởng của THHC đến chất lượng tín hiệu thu 56

2.5 Đánh giá khả năng ứng dụng của giải pháp đề xuất 58

2.6 Đánh giá kết quả đạt được với các công trình đã công bố 59

2.7 Kết luận chương 62

Chương 3 64

CẢI THIỆN HIỆU QUẢ HIỆU CHUẨN NỘI THỜI GIAN THỰC BẰNG TẬP TÍN HIỆU HIỆU CHUẨN GIẢ TRỰC GIAO 64

3.1 Giải pháp giảm ảnh hưởng của THHC lên tín hiệu thu 64

3.1.1 Đặt vấn đề 64

3.1.2 Đề xuất giải pháp tạo tập THHC giả trực giao 68

3.1.3 Ước lượng công suất nhiễu P BSS và kiểm chứng bằng mô phỏng 71 3.1.4 Nhận xét 74

3.2 Giải pháp giảm ảnh hưởng của nhiễu rò trong hiệu chuẩn nội 74

3.2.1 Đặt vấn đề 74

3.2.2 Hiện tượng rò tín hiệu và đề xuất giải pháp khắc phục 75

3.2.3 Kiểm chứng qua mô phỏng 79

3.2.4 Nhận xét 81

3.3 Kết luận chương 81

Chương 4 83

TỔNG HỢP CÁC THUẬT TOÁN VÀ CHU TRÌNH HIỆU CHUẨN NỘI THỜI GIAN THỰC KÊNH THU HỆ THỐNG AMPS 83

4.1 Tổng hợp thuật toán ước lượng tham số đo và chu trình hiệu chuẩn 83

iii

4.1.1 Thuật toán ước lượng tham số đo 84

4.1.2 Xây dựng các chu trình hiệu chuẩn 87

4.1.3 Nhận xét 93

4.2 Thực nghiệm các nội dung nghiên cứu đã đề xuất 95

4.2.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm 95

4.2.2 Thực hiện các chu trình hiệu chuẩn 97

4.2.3 Đánh giá ảnh hưởng của THHC 102

4.3 Kết luận chương 104

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 105

PHỤ LỤC 108

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 124

TÀI LIỆU THAM KHẢO 125

iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Nghĩa của từ

ADC Bộ chuyển đổi tương tự - số

(Analog-to-Digital Converter)

AMPS Ăng ten mảng pha số

BPSK Mã dịch pha nhị phân (Binary Phase Shift Keying)

DDC Bộ giải điều chế số (Digital down converter)

DDS Bộ tổ hợp tần số trực tiếp (Direct Digital Synthesizer) FFT Bộ biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier transform)

FIR Bộ lọc có đáp ứng xung hữu hạn (Finite Impulse

Response) FPGA Mảng lập trình được (Field-Programmable Gate Array)

IF Tín hiệu trung tần (Intermediate Frequency)

LO Dao động ngoại sai (Local oscillator)

MĐTP Mô-đun thu phát

OOK Mã dịch biên độ nhị phân (On/Off Keying)

RF Dao động cao tần (Radio Frequency)

SNR Tỷ số tín/tạp (Signal-to-noise ratio)

TGT Thời gian thực

THHC Tín hiệu hiệu chuẩn

VTĐT Vô tuyến điện tử

v

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc mảng pha thụ động (a) và mảng pha tích cực (b) 10

Hình 1.2 Cấu trúc AMPS mức phân mảng (a) và mức phần tử (b) 11

Hình 1.3 Mảng pha tuyến tính N kênh thu 12

Hình 1.4 GĐH ở các góc  0 ,20 ,50 o o o 13

Hình 1.5 Minh họa sai số biên độ 16

Hình 1.6 Minh họa sai số pha 17

Hình 1.7 Minh họa sai số pha và biên độ 17

Hình 1.8 Mô hình kỹ thuật hiệu chuẩn quét đầu dò trường gần 19

Hình 1.9 Mô hình kỹ thuật phương pháp hiệu chuẩn đặt đầu dò cố định 20 Hình 1.10 Mô hình kỹ thuật của phương pháp đường hiệu chuẩn 21

Hình 1.11 Mô hình kỹ thuật hiệu chuẩn theo phương pháp MCM 22

Hình 1.12 Sự phụ thuộc tham số mô-đun khi nhiệt độ tăng [5] 31

Hình 1.13 Sự phụ thuộc hệ số khuếch đại theo tần số và nhiệt độ [28] 31

Hình 1.14 Buồng thử nhiệt cho các MĐTP [28] 32

Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống AMPS 38

Hình 2.2 MĐTP với đường đi các tín hiệu trong chế độ thu – hiệu chuẩn 39

Hình 2.3 Sơ đồ khối đo và hiệu chuẩn một kênh thu 41

Hình 2.4 Minh họa THHC đưa vào tuyến thu 42

Hình 2.5 Minh họa mẫu THHC bị loại khi tín hiệu thu lớn 43

Hình 2.6 Các bước đo và hiệu chỉnh kênh thu 44

Hình 2.7 Minh họa tín hiệu kênh thu gồm ba loại tín hiệu 45

Hình 2.8 Sai số biên độ theo công suất P S( NTH)và số mẫu N 47

Hình 2.9 Sai số pha theo công suất P S( NTH)và số mẫu N 48

Hình 2.10 Hàm mật độ xác suất nhiễu khi có và không có THHC 50

Hình 2.11 Tỷ lệ R MaxHC /R Max theo độ trống M 51

vi

Hình 2.12 Sai số biên độ mô phỏng theo công suất P S( NTH)và số mẫu N

53

Hình 2.13 Sai số pha mô phỏng theo công suất P S( NTH)và số mẫu N 53

Hình 2.14 Các kênh thu trước và sau khi hiệu chuẩn 54

Hình 2.15 Các kênh thu trước và sau khi hiệu chuẩn được phóng to 55

Hình 2.16 Sai số pha và biên độ sau hiệu chuẩn 56

Hình 2.17 Minh họa các loại tín hiệu trong kênh thu 56

Hình 2.18 Tín hiệu sau lọc nén 57

Hình 2.19 Tỷ số SNR và sự suy giảm SNR khi có THHC 57

Hình 3.1 THHC ở đầu vào và đầu ra BSS (a) Theo đề xuất, b) Theo [34]) 66

Hình 3.2 Các mạng phân phối tín hiệu 69

Hình 3.3 THHC trong mỗi kênh thu khác mã OOK và sau bộ BSS 70

Hình 3.4 Công suất nhiễu sau BSS 71

Hình 3.5 Lược đồ và thuật toán mô phỏng tính toán hệ số P BSS 72

Hình 3.6 Mức tăng công suất nhiễu theo K và D 73

Hình 3.7 Sai số pha và biên độ do nhiễu rò gây ra 75

Hình 3.8 Đường đi THHC và nhiễu rò trong chế độ thu – hiệu chuẩn 76

Hình 3.9 Mạng phân phối tín hiệu RF 77

Hình 3.10 Cách kết nối ghép cặp hai MĐTP trong hiệu chuẩn thu 77

Hình 3.11 Minh họa hai mã OOK khác nhau 78

Hình 3.12 Hệ số tương quan của hai tín hiệu có mã OOK khác nhau 79

Hình 3.13 Sơ đồ kiểm chứng sai số do nhiễu rò gây ra 80

Hình 3.14 Sai số pha và biên độ theo giải pháp đề xuất với D = 1/32 81

Hình 4.1 Sơ đồ chức năng khối “Đo và hiệu chuẩn” mỗi kênh thu 83

Hình 4.2 Minh họa THHC sau DDC đồng bộ với mã BPSK và OOK 84

Hình 4.3 Sơ đồ khối mô-đun “Ước lượng tham số đo” 84

vii

Hình 4.4 Nguyên lý làm việc “Bộ đệm và tích lũy N xung” 85

Hình 4.5 Nguyên lý mô-đun “Phát hiện tín hiệu thu lớn” 85

Hình 4.6 Minh họa tín hiệu trong mô-đun “Phát hiện tín hiệu thu lớn” 86

Hình 4.7 Sơ đồ chức năng chi tiết mô đun “Ước lượng tham số đo” 86

Hình 4.8 Lược đồ thuật toán của mô-đun Ước lượng tham số đo 87

Hình 4.9 Sơ đồ kết nối của một số thành phần chính trong hiệu chuẩn 88

Hình 4.10 Sơ đồ kết nối khi hiệu chuẩn tĩnh 89

Hình 4.11 Lược đồ thuật toán tổng quát chu trình hiệu chuẩn tĩnh 91

Hình 4.12 Sơ đồ kết nối khi hiệu chuẩn động 91

Hình 4.13 Lược đồ thuật toán chu trình hiệu chuẩn động 93

Hình 4.14 Sơ đồ tích lũy mẫu THHC (a) theo đề xuất , b) theo [34]) 94

Hình 4.15 Sơ đồ khối hệ thống AMPS thử nghiệm 95

Hình 4.16 Hệ thống AMPS 4 kênh được lắp ráp hoàn chỉnh 96

Hình 4.17 Sơ đồ kết nối thực hiện chu trình hiệu chuẩn tĩnh 97

Hình 4.18 Sơ đồ kết nối thử nghiệm chu trình hiệu chuẩn động 99

Hình 4.19 Hình ảnh hệ thống khi thử nghiệm 100

Hình 4.20 Tín hiệu bốn kênh trước và sau khi hiệu chuẩn 101

Hình 4.21 Sai số pha và biên độ sau hiệu chuẩn 101

Hình 4.22 GĐH thu theo một số góc a) Mô phỏng, b) Thực nghiệm 102

Hình 4.23 Nội tạp các kênh thu 103

Hình 4.24 Mật độ phân bố của nhiễu tạp 103

viii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các nguồn gây sai lệch trong mảng pha 14

Bảng 2.1 Tính toán các tham số hiệu chuẩn 52

Bảng 2.2 Yêu cầu sai số GĐH của một số hệ thống 58

Bảng 2.3 Một số điểm khác nhau giữa giải pháp đề xuất với giải pháp phân chia theo tần số 60

Bảng 3.1 Mức tăng công suất nhiễu và sự suy giảm cự ly ra đa 67

Bảng 3.2 Bảng so sánh và đánh giá tính khả thi của đề xuất 73

Bảng 4.1 Bảng so sánh tài nguyên số để tích lũy mẫu THHC 94

Bảng 4.2 Đo tham số F1 (r k k 2 4) 97

Bảng 4.3 Đo tham số K1 (r k k 2 4) 98

Bảng 4.4 Đo tham số K1 (k k 2 4) 98

1

MỞ ĐẦU Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học - kỹ thuật và công nghệ, những yêu cầu và nhiệm vụ đối với các trang thiết bị điện tử, vô tuyến điện tử ngày càng cao và đa dạng Từ đó, dẫn tới nhu cầu cần thiết phải xây dựng, hình thành lớp các hệ thống có khả năng đồng thời thực hiện nhiều chức năng, nhiệm vụ trong các tình huống không gian tác chiến biến đổi nhanh chóng Đối với các hệ thống vô tuyến điện tử (VTĐT) như ra đa, thông tin và tác chiến điện tử cũng hoàn toàn như vậy Trước đây, các hệ thống VTĐT này thường chỉ thực hiện những nhiệm vụ đơn lẻ, riêng biệt; còn ngày nay, chúng

có thể được cấu hình để thực hiện đồng thời nhiều nhiệm vụ của ra đa, thông tin và tác chiến điện tử như phát hiện và theo dõi mục tiêu, chỉ thị mục tiêu, điều khiển hỏa lực, trinh sát, gây nhiễu và truyền thông tin [1, 2] Chính vì vậy, trong khoảng hai thập kỷ trở lại đây, đã xuất hiện khái niệm hệ thống VTĐT đa chức năng Để hệ thống VTĐT có tính đa chức năng, thì yêu cầu quan trọng nhất là nó phải có khả năng thay đổi mềm dẻo về hình dạng và vị trí không gian của giản đồ hướng (GĐH) một cách nhanh chóng và chính xác theo thời gian thực đối với mỗi chế độ làm việc [3] Với hệ thống VTĐT sử dụng ăng ten mảng pha số (AMPS), việc hình thành GĐH, xử lý tín hiệu được thực hiện hoàn toàn trên miền số, đã đáp ứng được các yêu cầu trên (gọi tắt là

hệ thống AMPS)

Như đã biết, hình dạng và vị trí không gian của GĐH phụ thuộc vào phân

bố trường điện từ trên mặt mở ăng ten hay chính xác là mối quan hệ pha và biên độ của các chấn tử phát xạ [4] Hệ thống AMPS được hình thành trên cơ

sở tích hợp các mô-đun thu/phát (MĐTP) được chế tạo hoàn toàn giống nhau

và bố trí theo các quy tắc xác định trên mặt mở ăng ten Do vậy, chất lượng tín hiệu đầu ra hệ thống phụ thuộc rất lớn vào độ chính xác của việc thiết lập mối quan hệ tham số pha và biên độ của tín hiệu đầu ra từng MĐTP Khi mối

2

quan hệ này không bảo đảm, dẫn tới GĐH bị sai lệch so với tính toán lý thuyết, từ đó làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng của hệ thống Do đó, cần phải có giải pháp đo, chẩn đoán và hiệu chỉnh các tham số trên nhằm đảm bảo

chúng được duy trì theo yêu cầu đặt ra, đó chính là bài toán “hiệu chuẩn”

Các MĐTP trong các hệ thống AMPS thường có số lượng lớn, có mật độ tích hợp rất cao cả về phần tử thụ động và tích cực Vì vậy, các tham số pha

và biên độ của chúng luôn thay đổi ngay trong quá trình vận hành dưới tác động của các yếu tố như sự già hóa của linh kiện, nhiệt độ và môi trường làm việc [5] Trong hệ thống AMPS, hình dạng và vị trí không gian của GĐH thay đổi nhanh chóng theo thời gian thực với các chế độ làm việc khác nhau Với yêu cầu duy trì hệ thống làm việc ở hiệu suất cao, quá trình hiệu chuẩn cần có

độ chính xác cao và thực hiện liên tục trong khi hệ thống làm việc [16] Do

đó, bài toán hiệu chuẩn mang tính định kỳ [6-15] không còn phù hợp Hiệu chuẩn phải đảm bảo thực hiện trên tất cả các kênh thu/phát một cách chính xác, kịp thời và tự động ngay trong quá trình hoạt động của hệ thống, mà không gây gián đoạn, cũng như làm ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống

[5, 16] Đó chính là yêu cầu về hiệu chuẩn theo thời gian thực (TGT)

Do những ứng dụng có ý nghĩa to lớn của hệ thống AMPS, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ, trong những năm gần đây, nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống AMPS liên tục được công bố Các công trình này không chỉ phát triển về lý thuyết và kỹ thuật mà cả những định hướng công nghệ phát triển các thế hệ AMPS trong tương lại [17-21] Trong

đó, bài toán hiệu chuẩn đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì tính ổn định của hệ thống, mà chủ yếu tập trung vào việc thiết kế các hệ hiệu chuẩn tích hợp trong thành phần của mảng Nhiều công trình khoa học đã được công bố [22-29] mà đứng đầu là J.Hoffman tập trung hoàn thiện kỹ thuật và công nghệ cho các MĐTP sử dụng cho các ra đa thế hệ mới SweepSAR, trong đó hệ con

3

hiệu chuẩn theo TGT tích hợp trong từng MĐTP là trọng tâm, qua thử nghiệm cho kết quả tốt Tài liệu tham khảo [5] với phương pháp hiệu chuẩn nội TGT các kênh thu số của hệ thống truyền thông 5G, được đánh giá cao với những

đề xuất mới về mặt xử lý và sai số hiệu chuẩn nhỏ Ở dải tần HF, tác giả Hung

Q Nguyen cùng các cộng sự đề xuất giải pháp hiệu chuẩn cho đài ra đa TIGER-3 theo TGT với sai số pha đạt được rất nhỏ (0,153o) [30]

Có thể thấy, hiệu chuẩn theo TGT là yêu cầu tất yếu trong các hệ thống AMPS đa chức năng hiện đại Trong đó, hiệu chuẩn phát đơn giản hơn, cơ bản đã được hoàn thiện trong nhiều tài liệu, còn hiệu chuẩn kênh thu vẫn tiếp tục được nghiên cứu hoàn thiện do có nhiều khó khăn khi thực hiện Hơn nữa,

độ chính xác của hiệu chuẩn thu quyết định nhiều đến chất lượng thông tin đầu ra của hệ thống Đó cũng là nội dung nghiên cứu của luận án

Qua các tài liệu đã nghiên cứu, có thể nhận thấy rằng, hầu hết các giải pháp hiệu chuẩn TGT được thực hiện bằng cách tích hợp các đường mạch hiệu chuẩn chuyên dụng ngay trong bản thân từng MĐTP và thường được gọi

là hiệu chuẩn nội bộ theo phương pháp đường hiệu chuẩn [22, 31, 36] Ưu điểm của phương pháp này là không mở rộng hệ thống, tận dụng được nguồn tài nguyên của hệ thống làm đầu đo cho hiệu chuẩn, chi phí thấp, thiết lập hiệu chuẩn đơn giản và có độ chính xác cao hơn Có nhiều giải pháp hiệu chuẩn kênh thu khác nhau đã được nghiên cứu, mà chủ yếu tập trung vào nghiên cứu cấu trúc và tham số tín hiệu hiệu chuẩn (THHC) cùng với thuật toán tương ứng Trong [5, 22-29] trình bày giải pháp sử dụng THHC có tần số khác với dải tần số của tín hiệu thu Giải pháp này có ưu điểm là không gây gián đoạn cho hệ thống, dễ lọc tách để giảm nhiễu giữa hai tín hiệu, tuy nhiên quy trình thử nghiệm còn nhiều phức tạp, mất nhiều thời gian thử nghiệm và

đo kiểm Trong [32] đề cập đến hiệu chuẩn hệ thống TerraSAR-X với giải pháp sử dụng các khe thời gian chuyên dụng để hiệu chuẩn, tuy nhiên nó lại

4

làm gián đoạn hệ thống, với hệ thống yêu cầu thu liên tục thì giải pháp này còn hạn chế Giải pháp sử dụng THHC cùng tần số với tín hiệu thu mà không làm gián đoạn hệ thống đã được đề xuất trong [33-35, 81], giải pháp này khắc phục được nhược điểm của hai giải pháp trên Để tránh can nhiễu giữa THHC

và tín hiệu thu, THHC mã pha với công suất rất nhỏ đã được đề xuất Điểm hạn chế của giải pháp này là yêu cầu xử lý phức tạp, khó khăn khi điều chỉnh tham số THHC và chiếm nhiều tài nguyên xử lý Ngoài ra, hiệu chuẩn nội yêu cầu rất cao về khả năng cách ly các tín hiệu có chức năng khác nhau trong bản thân từng MĐTP [24, 27, 28], do vậy yêu cầu việc thiết kế, đóng gói các MĐTP rất phức tạp, mất nhiều thời gian cho quá trình thử nghiệm và hiệu chỉnh thiết kế, nhất là khi chúng có mật độ tích hợp cao, tần số làm việc lớn

Ở trong nước, mặc dù công nghệ mảng pha đã được một số đơn vị nghiên cứu từ hơn 10 năm trở lại đây nhưng những công trình nghiên cứu về bài toán hiệu chuẩn còn chưa nhiều Sản phẩm đài ra đa bán mảng pha RV được Quân chủng Phòng không - Không quân sản xuất, đã được đưa vào trang bị nhiều năm, nhưng việc hiệu chuẩn chỉ được thực hiện định kỳ khi bảo dưỡng Hiện nay, một số cơ sở nghiên cứu trong và ngoài quân đội đang triển khai nghiên cứu về công nghệ mảng pha số và cũng chưa có công trình chuyên khảo nào được công bố về bài toán hiệu chuẩn cho các hệ thống AMPS Đặc biệt là hiệu chuẩn theo TGT

Từ những phân tích trên cho thấy, trong các hệ thống AMPS hiện đại, vấn

đề xây dựng hệ hiệu chuẩn vẫn đang là nội dung tiếp tục được nghiên cứu cả

về cơ sở lý luận và các phương pháp thực hiện, nhất là hiệu chuẩn kênh thu Hầu hết các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng: khi các MĐTP có mật độ tích hợp cao thì quy trình chế tạo đòi hỏi cao về mặt kỹ thuật và công nghệ, quy trình đo, hiệu chỉnh phức tạp, cần nhiều thời gian và chi phí lớn Ở trong nước, việc ứng dụng kỹ thuật AMPS đang ở giai đoạn đầu, chưa có nhiều

5

công trình nghiên cứu về bài toán hiệu chuẩn Xuất phát từ thực tế đó, việc nghiên cứu mô hình và phương pháp hiệu chuẩn nội theo TGT cho kênh thu của các hệ thống AMPS hiện đại luôn có tính thời sự Việc nghiên cứu giải pháp hiệu chuẩn với cách thức thực hiện đơn giản, dễ tiếp cận, độ chính xác cao, chi phí hợp lý, thuận lợi trong quá trình thử nghiệm, khai thác, sửa chữa

và phù hợp với điều kiện trong nước là rất cần thiết Chính vì vậy, trong luận

án này, nghiên cứu sinh đề xuất nội dung nghiên cứu như sau: “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” Thông qua luận án này,

nghiên cứu sinh mong muốn có được những đóng góp mang tính học thuật và

có những thử nghiệm thực tế ban đầu làm cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu, ứng dụng hiệu chuẩn TGT cho các hệ thống AMPS đang được nghiên cứu, thử nghiệm trong nước hiện nay

1 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

- Nghiên cứu tầm quan trọng, cơ sở lý thuyết và các giải pháp hiệu chuẩn

cơ bản cho các hệ thống ăng ten mảng pha, nhất là hiệu chuẩn theo TGT cho các hệ thống AMPS

- Nghiên cứu ưu điểm và hạn chế của các giải pháp hiệu chuẩn nội theo TGT kênh thu hệ thống AMPS đã được công bố Từ đó đề xuất các giải pháp

để khắc phục các hạn chế trên

- Đề xuất các giải pháp về cấu trúc và tham số của THHC kênh thu, cùng với cách thức phân phối chúng tới từng MĐTP nhằm đảm bảo hiệu chuẩn phân tán có độ chính xác cao, đơn giản trong thực hiện và không gây ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống

- Xây dựng thuật toán ước lượng sai số và quy trình hiệu chuẩn, hướng tới

sự đơn giản trong thực hiện và tiết kiệm tài nguyên xử lý Đồng thời kiểm

6

nghiệm các kết quả nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở xây dựng mô hình thực nghiệm với một hệ thống AMPS cỡ nhỏ

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu các mô hình, cấu trúc của các thế hệ thống ăng ten mảng pha, các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống và các phương pháp hiệu chuẩn cơ bản

- Các phương pháp hiệu chuẩn theo TGT kênh thu của các MĐTP trong các hệ thống AMPS Các giải pháp và thuật toán nhằm đảm bảo chất lượng hiệu chuẩn, không làm gián đoạn và ảnh hướng đến chất lượng hệ thống

3 Phương pháp nghiên cứu

Luận án thực hiện nhiều phương pháp nghiên cứu nhằm đạt được mục tiêu

đã đề ra, đó là:

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở tổng hợp, phân tích các nghiên cứu đã công bố về các phương pháp hiệu chuẩn nói chung và hiệu chuẩn nội theo TGT nói riêng, để từ đó xây dựng cấu trúc, mô hình phù hợp

- Mô hình hóa hệ thống bằng mô hình toán học phù hợp với mô hình vật

lý Dựa trên mô hình đó, thay đổi và lựa chọn các tham số cho phù hợp để đạt được kết quả mong muốn

- Sử dụng công cụ MatLab để kiểm chứng, đánh giá hiệu quả của các đề xuất Đồng thời xây dựng mô hình thử nghiệm để hoàn thiện đề xuất khi triển khai vào thực tế, phù hợp với điều kiện trong nước

4 Những đóng góp mới của luận án

Một số đóng góp mới của luận án được tóm tắt như sau:

- 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 (THHC) là tín hiệu giả trực giao, đa điều chế, gồm điều chế pha theo mã BPSK (Binary Phase Shift Keying) và điều chế biên độ theo mã OOK (On/Off Keying), có cùng tần số với tín hiệu thu và có công suất đỉnh tương đương với công suất nội

7

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 và giảm yêu cầu phức tạp trong thiết kế hệ thống [CT1-3]

- Tổng hợp các thuật toán 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]

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG AMPS VÀ BÀI TOÁN HIỆU CHUẨN

Giới thiệu tổng quan về hệ thống AMPS và trình bày các phương pháp hiệu chuẩn cơ bản cho hệ thống ăng ten mảng pha Trong đó, nội dung chính

là phân tích, trình bày đặc điểm, cùng với những ưu điểm và một số hạn chế của các giải pháp hiệu chuẩn nội TGT hệ thống AMPS đã được công bố Trên

cơ sở đó, đề xuất những nội dung nghiên cứu của luận án

Chương 2: HIỆU CHUẨN NỘI THỜI GIAN THỰC KÊNH THU HỆ THỐNG AMPS BẰNG TÍN HIỆU HIỆU CHUẨN ĐA ĐIỀU CHẾ

Trình bày giải pháp mới về hiệu chuẩn nội TGT kênh thu cho các hệ thống AMPS Đó là sử dụng THHC có cấu trúc đa điều chế, tín hiệu được điều chế

8

pha theo mã BPSK và điều biên theo mã OOK Giải pháp đề xuất để khắc phục một số hạn chế của các giải pháp đã được công bố Tham số và cấu trúc THHC đề xuất được phân tích, đánh giá tính hiệu quả dựa trên yêu cầu về sai

số đo và ảnh hưởng của nó đến chất lượng xử lý tín hiệu thu

Chương 3: CẢI THIỆN HIỆU QUẢ HIỆU CHUẨN NỘI THỜI GIAN THỰC BẰNG TẬP TÍN HIỆU HIỆU CHUẨN GIẢ TRỰC GIAO

Trình bày giải pháp đơn giản để tạo tập THHC đa điều chế giả trực giao nhằm giảm công suất nhiễu do THHC gây ra ở tín hiệu đầu ra bộ tổng hợp GĐH thu số Trên cơ sở đó, đề xuất giải pháp thay đổi phương thức phân phối THHC đến từng MĐTP nhằm khắc phục hiện tượng nhiễu rò trong hiệu chuẩn nội, để giảm sai số hiệu chuẩn và khó khăn trong thiết kế công nghệ các MĐTP với yêu cầu cách ly cao giữa các đường tín hiệu

Chương 4: TỔNG HỢP CÁC THUẬT TOÁN VÀ CHU TRÌNH HIỆU CHUẨN NỘI THỜI GIAN THỰC KÊNH THU HỆ THỐNG AMPS

Tổng hợp các thuật toán ước lượng tham số đo và các chu trình hiệu chuẩn trên cơ sở cấu trúc THHC đã đề xuất Các thuật toán và chu trình hiệu chuẩn hướng tới tiêu chí tiết kiệm tài nguyên, đơn giản trong triển khai và có độ tin cậy cao Cùng với đó, kiểm tra các kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng bằng thực nghiệm trên hệ thống AMPS cỡ nhỏ gồm bốn MĐTP Kết quả thực nghiệm đã chứng minh hiệu quả của các giải pháp đề xuất

Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo

Trình bày những đóng góp và nội dụng nghiên cứu tiếp theo của luận án Phụ lục: Trình bày chi tiết mô hình thử nghiệm của AMPS cỡ nhỏ

9

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG AMPS VÀ BÀI TOÁN HIỆU CHUẨN Như đã biết, các hệ thống AMPS có khả năng thực hiện đồng thời nhiều chức năng nhiệm vụ khác nhau Khả năng đó dựa trên cơ sở thay đổi nhanh chóng và chính xác các tham số về hình dạng, vị trí không gian và thiết lập đồng thời nhiều GĐH phát, GĐH thu một cách độc lập theo yêu cầu đặt ra Đặc biệt là đối với GĐH thu, tính đa chức năng có được là nhờ vào việc xử lý tín hiệu trên miền số và kiểm soát tốt tham số pha và biên độ của các MĐTP

Do vậy, bài toán hiệu chuẩn, kiểm soát những tham số trên có ý nghĩa quyết định trong việc đảm bảo các tính năng của hệ thống AMPS

Trong chương này, luận án trình bày tổng quan về hệ thống AMPS cùng với các phương pháp hiệu chuẩn cơ bản Trong đó, nội dung quan trọng của chương tập trung nghiên cứu, phân tích đặc điểm và các giải pháp hiệu chuẩn TGT hệ thống AMPS của các công trình đã được công bố Trên cơ sở đó, đề xuất các nội dung cần tập trung nghiên cứu, đó là: nghiên cứu cấu trúc mới của tập THHC kênh thu, cùng với cách thức phân phối chúng cho từng kênh thu độc lập sao cho giải pháp đề xuất khắc phục được một số hạn chế của các công trình đã công bố

1.1 Tổng quan về hệ thống AMPS

1.1.1 Những vấn đề chung

Ăng ten mảng pha (AMP) được nghiên cứu ứng dụng từ những năm 1950 Với những ưu điểm của nó so với ăng ten đơn truyền thống, AMP luôn được nghiên cứu và hoàn thiện theo thời gian Sự phát triển của các thế hệ AMP gắn liền với sự phát triển của khoa học và công nghệ như: lý thuyết về AMP

và các dạng của chúng, công nghệ vi điện tử bán dẫn, công cụ thiết kế, công

cụ mô phỏng, kỹ thuật tính toán và kỹ thuật xử lý tín hiệu số Trong các tài liệu [18, 19] đã chỉ rõ, sự phát triển này có thể phân chia thành các thế hệ với

Hình 1.1 Cấu trúc mảng pha thụ động (a) và mảng pha tích cực (b)

Với cấu trúc mảng pha tích cực (hình 1.1b), các hạn chế trên đã được khắc phục Theo đó, công suất phát xạ được chia ra cho các bộ khuếch đại có công suất nhỏ hơn và tiến gần tới các phần tử ăng ten Điều này làm giảm đáng kể suy hao năng lượng và tăng độ nhạy hệ thống Tuy nhiên, do việc hình thành GĐH vẫn ở dạng tương tự nên hệ thống có giá thành cao và gặp nhiều phức tạp trong quá trình thiết kế Hơn nữa, dạng của GĐH được hình thành không phải là dạng đa búp nên cần nhiều thời gian để quan sát hết toàn bộ vùng quan sát và không thể phát hiện mục tiêu trong thời gian thực Những hạn chế này

đã được giải quyết với việc sử dụng cấu trúc mảng pha số

11

Hiện nay, giai đoạn mảng pha số đang được hoàn thiện và ứng dụng rộng rãi do những ưu điểm của nó so với các cấu trúc mảng pha tương tự [18] Có hai cấu mảng pha số cơ bản: một là mảng pha số mức phân mảng (là sự kết hợp của cả mảng pha tích cực và mảng pha số) và hai là mảng pha số mức phần tử Hình 1.2 chỉ rõ cấu trúc hai mảng pha số trên

Hình 1.2 Cấu trúc AMPS mức phân mảng (a) và mức phần tử (b)

Cấu trúc mảng pha số mức phân mảng (hình 1.2a) thường sử dụng khi số phần tử phát xạ lớn, việc tổng hợp GĐH thu gặp nhiều khó khăn Khi đó, mảng được chia thành các phân mảng và mỗi phân mảng hoạt động độc lập như một mảng pha tích cực Sau đó, tín hiệu đầu ra của các phân mảng được

số hóa để thực hiện tổng hợp búp sóng số Với AMPS có số phần tử phát xạ không quá lớn, cấu trúc mức phần tử được sử dụng (hình 1.2b), ở đó việc tạo tín hiệu và thu/số hóa được thực hiện trên từng phần tử riêng biệt Với sự phát triển của công nghệ tích hợp và giải thuật tính toán, quá trình hình thành GĐH

sẽ được thực hiện trên miền số Việc xoay pha và hiệu chỉnh biên độ tín hiệu được thực hiện trên miền số, hình dạng GĐH có thể được thiết lập, điều chỉnh theo yêu cầu trong thời gian thực và có thể hình thành nhiều búp sóng đồng thời mà không bị tổn hao tín hiệu như mảng pha tích cực với GĐH tương tự Trong thực tế, mảng pha số phổ biến hiện nay có dạng GĐH khi phát là tương tự, GĐH khi thu là số GĐH khi phát là một búp sóng bao trùm toàn bộ không gian cần quan sát, GĐH khi thu được thực hiện trên miền số với nhiều

Hình 1.3 Mảng pha tuyến tính N kênh thu

Gọi d là khoảng cách giữa các phần tử ăng ten; α, λ lần lượt là góc tới,

bước sóng của tín hiệu; S ( n ) , X ( n ) lần lượt là tín hiệu số dạng phức đầu ra

ở góc tới α và hàm truyền phức của kênh thu thứ n (n = 0…N-1) Vậy pha tín hiệu ở đầu vào kênh thu thứ n là ( 2 nd sin  / ), do đó S ( n ) có dạng:

S ( n )  X ( n )exp( j 2 nds n i  / ) (1.1) Biểu thức hình thành GĐH thu ở góc  có dạng như sau:

13

Từ biểu thức (1.3) cho thấy nếu góc tín hiệu tới trùng với góc của GĐH

(  ) thì Y( ) đạt giá trị lớn nhất Đó chính là ý nghĩa của việc hình thành GĐH để phát hiện ra hướng của nguồn tín hiệu thu Qua mô phỏng, ta

có GĐH của mảng ăng ten tuyến tính với 4 kênh thu, khoảng cách d  / 2,

ở các góc  = 0o, 20o, 50o như trên hình 1.4

o o o

0 20 50

phức X ( n ) Đây là các tham số mà hệ thống cần phải kiểm soát trong quá

trình hoạt động và là nội dung chính của bài toán hiệu chuẩn Phần tiếp theo

14

sẽ phân tích các nguồn gây sai số và ảnh hưởng của chúng đến sự hình thành GĐH và các phương pháp hiệu chuẩn phổ biến được ứng dụng hiện nay 1.2 Những nguồn gây sai số và các phương pháp hiệu chuẩn cơ bản

1.2.1 Tổng hợp những nguồn gây sai số trong hiệu chuẩn

GĐH của AMP được hình thành trên cơ sở của việc thiết lập mối quan hệ các tham số pha và biên độ trên mặt mở ăng ten của mỗi phần tử bức xạ Ưu điểm của việc hình thành GĐH như vậy cũng chính là nguyên nhân phát sinh những sai lệch so với hệ thống lý tưởng khi triển khai vào thực tế Sự sai lệch của các tham số so với hệ thống lý tưởng có thể dẫn tới việc suy giảm nghiêm trọng hiệu suất của hệ thống

Bảng 1.1 Các nguồn gây sai lệch trong mảng pha

1 Tác nhân phần

cứng

- Độ dài đường truyền tín hiệu không đồng nhất

- Can nhiễu giữa các kênh

- Sai lệch do chuẩn hóa, làm tròn tham số

- Sai lệch do thuật toán tính toán

- Sai lệch do tốc độ tính toán

3 Tác nhân môi

trường

- Tác động của nhiệt độ lên các linh kiện

- Tác động của độ ẩm môi trường làm việc

- Tác động của áp suất

15

Các sai lệch này xuất phát từ nhiều nguyên nhân như: sai lệch phần cứng, phần mềm, tác động của môi trường, công nghệ chế tạo v.v Đặc biệt với hệ AMPS có mật độ tích hợp cao thì số lượng các tác nhân sai số càng lớn Trên bảng 1.1 có trình bày các nguồn gây sai số chính được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu [36-44]

Mỗi nguồn sai số có mức độ ảnh hưởng khác nhau và có cách khắc phục khác nhau Các nguồn gây sai số trên có thể phân chia thành nguồn gây sai số tĩnh và nguồn gây sai số động [5] Nguồn gây sai số tĩnh gây ra các sai số không đổi theo thời gian như dung sai linh kiện, sai số chế tạo mạch, độ dài các đường truyền tín hiệu Các nguồn sai số này có thể được khắc phục bằng cách đo kiểm tại nhà máy, phòng thí nghiệm rồi bù khi hiệu chuẩn Còn nguồn gây sai số động gây ra các sai số thay đổi theo thời gian, thậm trí thay đổi ngay trong quá trình hoạt động của hệ thống như môi trường làm việc, sự lão hóa của linh kiện Các nguồn sai số này phải được đo kiểm và bù trong quá trình khai thác sử dụng thiết bị Mỗi một cấu trúc AMP sẽ có giải pháp hiệu chuẩn phù hợp riêng, điều này sẽ thảo luận ở tiểu mục sau

1.2.2 Ảnh hưởng của sai số đến hình thành GĐH

Trước khi trình bày các phương pháp hiệu chuẩn cơ bản, để có cái nhìn khái quát về tầm quan trọng của việc hiệu chuẩn, phần này sẽ minh họa những ảnh hưởng của các sai số đến việc hình thành GĐH

Phương trình hình thành GĐH của hệ thống AMP thể hiện trong biểu thức (1.3) đã chỉ ra mối quan hệ pha và biên độ của các kênh quyết định hình dạng

và vị trí của GĐH trong không gian Xét mảng pha tuyến tính với d  / 2, biểu thức (1.3) có dạng như sau:

16

trong đó, X(n) - là hàm truyền phức của mỗi kênh thu/phát, phản ánh sai

lệch pha và biên độ trên mỗi kênh Các sai số này dẫn tới: suy giảm biên độ, sai lệch góc hướng, độ rộng búp chính; sai lệch vị trí, tăng mức các bướu bên; sai lệch vị trí và độ sâu của các điểm “0” v.v [36] Để minh họa, dưới đây trình bày các kết quả mô phỏng GĐH mảng pha tuyến tính có 4 phần tử theo biểu thức (1.5) trên phần mềm Matlab trong các trường hợp sau:

- Với sai số biên độ: dẫn tới thay đổi hình dạng GĐH như độ rộng búp chính, búp phụ, vị trí các điểm ‘0’ Kết quả mô phỏng GĐH với sai số biên độ ngẫu nhiên lần lượt là 1dB, 2dB và 3dB thể hiện trên hình 1.5

Hình 1.5 Minh họa sai số biên độ

- Với sai số pha: ngoài việc làm thay đổi hình dạng GĐH còn gây ra sai lệch vị trí không gian của GĐH Kết quả mô phỏng GĐH với sai số pha ngẫu nhiên lần lượt là 2o, 5o và 10o thể hiện trên hình 1.6

Gọi  là sai số pha của hai kênh liền kề, trong trường hợp xấu nhất, sai

số về góc hướng  của GĐH được xác định như sau [30] ( d  / 2):

17

0,1o thì sai số pha giữa các kênh nhỏ hơn 0,3o Đây là yêu cầu rất cao và muốn đạt được cần phải có giải pháp hiệu chuẩn phù hợp

Hình 1.6 Minh họa sai số pha

- Với sai số cả pha và biên độ: Kết quả mô phỏng GĐH với sai số pha ngẫu nhiên lần lượt là 2o, 5o và 10o, sai số biên độ ngẫu nhiên lần lượt là 1dB, 2dB và 3dB thể hiện trên hình 1.7

Lý tưởng Sai số 2 độ, 1dB Sai số 5 độ, 2dB Sai số 10 độ, 3dB

Hình 1.7 Minh họa sai số pha và biên độ

Như vậy sai số pha và biên độ ảnh hưởng rất lớn đến hình dạng và vị trí của GĐH Sai số lớn sẽ dẫn tới GĐH bị thay đổi về hình dạng và vị trí không gian, làm cho hệ thống giảm sức chiến đấu Do vậy bài toán hiệu chuẩn trong các hệ thống AMP là tất yếu và chiếm một vị trí rất quan trọng, cần được

18

quan tâm ngay từ khâu thiết kế ban đầu Đặc biệt với các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao, các sai số xảy ra ngay trong quá trình hoạt động thì yêu cầu hệ hiệu chuẩn cần có cách tiếp cận mới để đảm bảo hiệu chuẩn trong TGT

1.2.3 Các phương pháp hiệu chuẩn cơ bản

Hiệu chuẩn AMP có nhiều phương pháp khác nhau Tuy nhiên, không có nhiều tài liệu mô tả chi tiết về các phương pháp cụ thể Luận án nhận thấy rằng, trong [31] đã đưa ra cách phân loại tương đối hợp lý về các phương pháp hiệu chuẩn thông dụng nhất Theo đó, có bốn phương pháp hiệu chuẩn

sử dụng phổ biến hiện nay Đó là các phương pháp: quét đầu dò trường gần [6, 7], đặt đầu dò cố định [8, 9], đường hiệu chuẩn [10, 11, 76-79] và cảm ứng qua lại [12, 13] Ngoài ra còn một số phương pháp khác như phương pháp trường xa [14, 15], phương pháp nhảy pha [45, 46], phương pháp mã trực giao [47, 48], v.v nhưng chúng thường bổ trợ cho các phương pháp cơ bản trên với miền ứng dụng cụ thể Trong đó, phương pháp quét đầu dò trường gần chỉ dùng tại nhà máy, phòng thí nghiệm; còn phương pháp đặt đầu dò cố định, đường hiệu chuẩn được sử dụng cho hiệu chuẩn ngoài trận địa; trong khi

đó phương pháp cảm ứng qua lại được sử dụng cho cả hai trường hợp trên Bốn phương pháp hiệu chuẩn trên đều thực hiện qua các bước cơ bản, được tóm tắt như sau [31]:

+ Bước 1: Đo sự sai lệch pha và biên độ của tất cả các kênh ở nhà máy (phòng thí nghiệm) sử dụng phương pháp phù hợp ở cả chế độ thu và phát Đây gọi là đo sai số tĩnh

+ Bước 2: Đo các sai số ở tần số và nhiệt độ khác nhau mà hệ thống thường hoạt động

+ Bước 3: Nếu bộ xoay pha, suy giảm được sử dụng (như búp sóng tương tự), thì chu trình hiệu chuẩn cần được thực hiện cho tất cả các bước dịch pha

và suy giảm

19

+ Bước 4: Hiệu chuẩn hệ thống ngoài trận địa (có thể là định kỳ hoặc thương xuyên trong quá trình vận hành)

Các tiểu mục dưới đây sẽ trình bày chi tiết về các phương pháp hiệu chuẩn

cơ bản nêu trên, cùng với các ưu điểm và hạn chế của chúng

1.2.3.1 Phương pháp quét đầu dò trường gần (đo trường gần)

Trong phương pháp này [6, 7], ăng ten kiểm tra (ăng ten dò) được sử dụng

để quét qua mảng ăng ten và đo trực tiếp giá trị pha, biên độ tương đối của mỗi phần tử Trong chế độ phát, ra đa phát tín hiệu kiểm tra vào từng phần tử ăng ten, tín hiệu thu được trên ăng ten dò được sử dụng để đo tham số pha, biên độ Trong chế độ thu, ăng ten dò phát tín hiệu kiểm tra, từng phần tử ăng ten thu và đo tham số Cuối cùng, các hệ số sau khi tính toán được lưu lại để

sử dụng khi ra đa hoạt động trong môi trường thực địa

Hình 1.8 Mô hình kỹ thuật hiệu chuẩn quét đầu dò trường gần

Mô hình kỹ thuật của phương pháp được minh họa trên hình 1.8 Phương pháp này có ưu điểm là đo chính xác giá trị pha và biên độ, loại bỏ được các yếu tố không xác định như nhiễu, mức suy giảm của đầu dò Tuy nhiên, khi

sử dụng phương pháp này cần thiết kế hệ đo phức tạp, chi phí cao và tốn rất nhiều thời gian Vì thế, phương pháp này phù hợp cho việc hiệu chuẩn ban đầu ở nhà máy hơn là hiệu chuẩn định kỳ

20

1.2.3.2 Phương pháp đặt đầu dò cố định

Trong phương pháp này [8, 9], một vài đầu dò (ăng ten dò) được đặt cố định ở bên ngoài mặt mở ăng ten Khác với phương pháp đo trường gần, trong phương pháp này, các giá trị cảm ứng giữa đầu dò và các phần tử ăng ten không giống nhau (do khoảng cách giữa chúng khác nhau) Với mảng ăng ten

có kích thước lớn, các giá trị cảm ứng rất khác nhau và có dải thay đổi lớn, do vậy cần phải đặt thêm các đầu dò vào bên trong của mảng

MĐTP

MĐTP

…

Thiết bị điều khiển

đo-Dao động chuẩn

Ăng ten dò

Ăng ten - 1

Ăng ten - N

Hình 1.9 Mô hình kỹ thuật phương pháp hiệu chuẩn đặt đầu dò cố định

Mô hình kỹ thuật của phương pháp được chỉ ra trên hình 1.9 Dễ thấy rằng, khi sử dụng phương pháp này, trước tiên cần phải hiệu chuẩn ở nhà máy bằng phương pháp đo trường gần để đo các giá trị tín hiệu cảm ứng khác nhau giữa đầu dò và các phần tử ăng ten Sau đó, các giá trị này được lưu lại và sử dụng trong quá trình hiệu chuẩn ngoài thực địa

Phương pháp này có ưu điểm là không cần di chuyển đầu dò, chi phí thấp,

dễ triển khai Vì vậy nó được sử dụng khá phổ biến Tuy nhiên, nó có hạn chế

là cần mở rộng kích thước mặt mở ăng ten, nên làm ảnh hưởng đến GĐH và gây ra sai số lớn

1.2.3.3 Phương pháp đường hiệu chuẩn

Trong phương pháp này [10, 11, 76-79], tín hiệu tham chiếu được truyền tới từng phần tử ăng ten của mảng thông qua các đường dẫn Đây là phương

21

pháp phổ biến để hiệu chuẩn hệ thống ngoài thực địa Đường hiệu chuẩn lấy mẫu tín hiệu trong chế độ thu và phát thông qua các mạch ghép được lắp đặt ở gần các phần tử ăng ten Tín hiệu đo được sẽ được sử dụng để tính toán các giá trị sai lệch giữa các kênh và hiệu chỉnh cho phù hợp

Để phương pháp này thành công, sai lệch về pha và biên độ do đường hiệu chuẩn và mạch ghép gây ra phải bằng nhau hoặc phải được xác định Các đường hiệu chuẩn này phải thiết kế giống nhau và các hiệu ứng của nó cũng giống nhau Hơn nữa, mức sai lệch pha và biên độ phải được đo kiểm và chuẩn hóa Có như vậy, việc hiệu chuẩn theo phương pháp này mới đạt hiệu quả Điều đó có nghĩa là, trước khi hiệu chuẩn ngoài thực địa, cần tiến hành hiệu chuẩn các phần tử ăng ten, các đường hiệu chuẩn và mạch ghép tại nhà máy Mặc dù ba đối tượng này có thể đo độc lập, tuy nhiên để nâng cao độ chính xác thì nên kết nối hoàn chỉnh chúng vào hệ thống để đo đồng thời Khi hiệu chuẩn tại nhà máy, ta có thể sử dụng phương pháp đo trường gần Khi hiệu chuẩn ngoài thực địa, ta giả thuyết rằng các phần tử ăng ten, các đường hiệu chuẩn, các mạch ghép có giá trị không đổi theo thời gian Vì chúng là các phần tử "thụ động" nên giả thuyết này là hợp lý Tuy nhiên, nếu một trong các phần tử đó bị hỏng thì cần phải hiệu chuẩn lại tại nhà máy

MĐTP

MĐTP

…

Thiết bị điều khiển

Hình 1.10 Mô hình kỹ thuật của phương pháp đường hiệu chuẩn

22

Mô hình kỹ thuật của phương pháp được minh họa trên hình 1.10 Dễ nhận thấy, phương pháp có ưu điểm là giá trị đo chính xác, không phải mở rộng kích thước mặt mở ăng ten, thuận lợi khi hiệu chuẩn ngoài thực địa Bên cạnh

đó nó cũng có nhược điểm là cần mở rộng phần cứng, hiệu chuẩn tại nhà máy cần qua nhiều bước phức tạp

1.2.3.4 Phương pháp cảm ứng qua lại (mutual coupling method)

Phương pháp này (gọi là phương pháp MCM) dựa trên ý tưởng là việc sử dụng tín hiệu lai ghép (cảm ứng) lẫn nhau giữa các phần tử trong mảng để đo các giá trị pha và biên độ giữa các phần tử bằng cách phát từ một phần tử và thu từ một phần tử khác [12, 13]

Mô hình kỹ thuật của phương pháp được minh họa trên hình 1.11 Đây là phương pháp hiệu chuẩn có những ưu điểm như không cần hiệu chuẩn trước ở nhà máy, không cần mở rộng phần cứng, dải động tín hiệu cảm ứng có thể được tối ưu Bên cạnh ưu điểm thì nó có một số hạn chế, đó là các kênh phải

có khả năng bật tắt độc lập, các phần tử ăng ten phải đối xứng theo hàng và theo cột, cần mở rộng ăng ten với mảng có kích thước nhỏ và khi một phần tử hỏng thì các phần tử xung quanh không thể hiệu chuẩn được

MĐTP

MĐTP

Thiết bị điều khiển

23

sai số đó lên chất lượng hình thành GĐH Từ đó cho thấy, tầm quan trọng của bài toán hiệu chuẩn, nó cần được tính toán, xem xét và đặt vấn đề ngay từ những bước đầu tiên khi thực hiện thiết kế sơ bộ hệ thống

Trong mục trên cũng đã trình bày các phương pháp hiệu chuẩn cơ bản Phương pháp hiệu chuẩn tối ưu và hiệu quả hoàn toàn phụ thuộc vào đặc điểm cấu trúc của mỗi hệ thống cụ thể Trong bốn phương pháp trên thì phương pháp đo trường gần và MCM cho phép đo trực tiếp tham số pha và biên độ của cả mảng ăng ten và phần cứng Do vậy, chúng có thể sử dụng hiệu chuẩn tại nhà máy Phương pháp đo trường gần có độ chính xác cao hơn, cho phép hình thành búp sóng trường xa và phương pháp này có thể áp dụng cho tất cả các hệ thống AMP Trong khi đó, phương pháp MCM thì chỉ được sử dụng cho mảng ăng ten có cấu trúc đối xứng Tuy nhiên, trong khi phương pháp MCM có thể hiệu chuẩn được cả ở nhà máy và ngoài thực địa thì phương pháp đo trường gần chỉ thực hiện được tại nhà máy Hai phương pháp còn lại, đường hiệu chuẩn và đặt đầu dò cố định, thì bắt buộc phải được hiệu chuẩn ở nhà máy trước khi hiệu chuẩn ngoài thực địa Tuy nhiên hai phương pháp này phù hợp nhất với các hệ thống cần hiệu chuẩn ngoài thực địa

Hiện nay, ba phương pháp đặt đầu dò trường gần, MCM và đường hiệu chuẩn được sử dụng khá phổ biến Tuy nhiên, các hệ thống AMPS có cấu trúc rất phức tạp, số lượng MĐTP lớn, mật độ tích hợp linh kiện trong các mô-đun cao, dải nhiệt độ hoạt động rộng, điều này dẫn tới tác động của các nguồn gây sai số càng lớn, nhất là các nguồn gây sai số động, thì hiệu chuẩn TGT đồng thời trong quá trình hệ thống vận hành là yêu cầu bắt buộc Và phương pháp đường hiệu chuẩn rất phù hợp để đáp ứng yêu cầu này và đang được nghiên cứu, ứng dụng thể hiện trong một số công trình đã công bố [5, 22-29, 32-35] Phần tiếp theo sẽ phân tích chi tiết hiệu chuẩn cho các hệ thống AMPS, nhất

là bài toán hiệu chuẩn TGT Đây chính là hướng nghiên cứu của luận án

24

1.3 Hiệu chuẩn trong các hệ thống AMPS

1.3.1 Đặc điểm hiệu chuẩn trong các hệ thống AMPS

Hệ thống AMPS là sự kết hợp hoàn hảo các ưu điểm của kỹ thuật mảng và

kỹ thuật xử lý tín hiệu số Cùng với sự phát triển của công nghệ, giá thành của các hệ thống AMPS cũng giảm đáng kể, do vậy nó là xu hướng tất yếu và hứa hẹn phát triển mạnh mẽ trong tương lai [17-19] Tuy nhiên, bên cạnh những

ưu điểm lớn đã chỉ ra, hệ thống AMPS cần vượt qua nhiều trở ngại Trở ngại lớn nhất là việc hiệu chuẩn nhằm kiểm soát mối quan hệ pha và biên độ giữa các tín hiệu đầu ra của các kênh thu/phát khi chúng đang hoạt động

Cũng giống như các hệ thống mảng pha thông thường, việc hiệu chuẩn hệ thống AMPS cũng dựa trên các phương pháp cơ bản như đã trình bày Trong các tài liệu [3, 5, 12, 19, 22, 24, 49-51] cho thấy bên cạnh ứng dụng các phương pháp cơ bản trên, hệ hiệu chuẩn AMPS còn tận dụng được điểm mạnh của việc xử lý tín hiệu số, tận dụng nguồn tài nguyên của hệ thống làm đầu đo hiệu chuẩn Từ đó, nó giúp cho quá trình hiệu chuẩn thêm thuận lợi, chi phí thấp, giảm thời gian thử nghiệm và cải tiến đáng kể về chất lượng Quá trình hiệu chuẩn hệ thống AMPS cũng được thực hiện theo hai bước

là hiệu chuẩn tại nhà máy (hiệu chuẩn tĩnh) và hiệu chuẩn trên thực địa (hiệu chuẩn động) Hiệu chuẩn tĩnh thường dùng kỹ thuật hiệu chuẩn ngoại như phương pháp quét đầu dò trường gần (có thể hiệu chuẩn ở trường xa tuy nhiên phương pháp này khá tốn kém) nhằm để kiểm tra, hiệu chỉnh những tham số sai lệch do thiết kế, dung sai linh kiện v.v Đây được gọi là những sai số tĩnh, không đổi và sẽ được lưu lại để bù khi hiệu chuẩn ngoài thực địa Còn hiệu chuẩn động, tùy thuộc vào cấu trúc mảng mà có thể sử dụng một trong ba phương pháp cơ bản còn lại hoặc kết hợp nhiều phương pháp Tuy nhiên, việc hiệu chuẩn hệ thống AMPS có một số đặc điểm khác với mảng pha tương tự [19] Cụ thể như sau:

25

1) Với mảng pha tương tự, hiệu chuẩn thường đơn giản chỉ cần dùng máy phân tích mạng với kết nối đầu đo RF-RF Còn với AMPS, kết nối đầu đo là RF-Digital nên các thiết bị đo phải được khóa pha, tín hiệu tham chiếu phân phối cho các kênh cần đồng bộ chính xác và phải thêm các thiết bị bổ trợ thu/phát chuyên dụng

2) Tín hiệu thu được từ các phần tử chiếu xạ sau khi được số hóa truyền tới phần xử lý trung tâm có thể không trong thời gian thực nên khi hiệu chuẩn cần sử dụng các bộ đệm dữ liệu sau đó sẽ được xử lý Điều này cần được tính toán tài nguyên xử lý trong quá trình thiết kế hệ thống

3) Tất cả các kênh thu/phát đều được đồng bộ qua các xung nhịp như các

bộ ADCs (Analog-to-Digital Converter), bộ dao động ngoại sai LO (Local Oscillator) Do vậy, thiết kế cần đảm bảo đồng bộ trong quá trình hiệu chuẩn 4) Mảng pha số thường có giới hạn về độ chính xác (số bít có thể là 8, 16, 32) Do vậy độ chính xác hiệu chuẩn cần được tính toán để thiết kế phần cứng cho phù hợp, nhất là đối với mảng pha nhỏ có số lượng MĐTP không lớn 5) Việc xử lý trên miền số có ưu điểm là khi xoay pha, suy giảm không ảnh hưởng lẫn nhau và rất tuyến tính, khác với mảng tương tự là xoay pha/suy giảm tác động lẫn nhau gây khó khăn cho hiệu chuẩn

6) Khi hiệu chuẩn mảng tương tự, ta chỉ có thể hiệu chuẩn được từng phần

tử riêng biệt, trong khi các phần tử khác phải ngừng hoạt động Còn với mảng pha số ta có thể hiệu chuẩn đồng thời, độc lập trên tất cả các kênh

Với những đặc điểm và yêu cầu cao như vậy, nên rất cần chú ý xây dựng

hệ hiệu chuẩn để phù hợp với cấu trúc toàn hệ thống ngay từ những bước đầu tiên của quá trình thiết kế sơ bộ Với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ, các

hệ thống AMPS được ứng dụng rất nhiều, đặc biệt là lĩnh vực quân sự với các

hệ thống VTĐT đa chức năng Tính chất đa chức năng do nhiều yếu tố quyết định, trong đó yếu tố quan trọng nhất chính là việc có thể hình thành GĐH

26

nhiều búp sóng thu/phát đồng thời và cấu hình linh hoạt cho các nhiệm vụ khác nhau [3] Độ chính xác cao và tính chất TGT của GĐH là yêu cầu bắt buộc với các hệ thống AMPS hiện đại Hơn nữa, mật độ tích hợp trong các MĐTP các hệ thống AMPS hiện đại rất cao, số lượng MĐTP lớn (có thể lên tới hàng nghìn MĐTP); các tham số về pha và biên độ của các MĐTP thay đổi liên tục ngay trong quá trình hệ thống hoạt động Do vậy, công tác hiệu chuẩn định kỳ, trước và sau khi hệ thống hoạt động khó đáp ứng được yêu cầu trên Cần phải có giải pháp mới trong hiệu chuẩn [5, 23-28], đó chính là: cần

thiết phải xây dựng mô hình cấu trúc hiệu chuẩn nội, kỹ thuật số, tự động, có

tính TGT đồng thời cho tất cả các kênh, tích hợp thành hệ con và phải khai thác, sử dụng tốt nguồn tài nguyên sẵn có của hệ thống

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 không có nghĩa là “nhanh” mà là nó đáp ứng kịp thời được công 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: C i chỉ thời gian xảy ra một sự thay đổi, T i 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 T i < C i 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

27

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 toán 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 Thông 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 toán 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 hoàn toàn 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

28

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; không 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 công trình đã được công 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 toàn bộ tham số của mô-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 ông 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