Một số kỹ thuật giảm nhiễu đa đường và hạn chế sai lệch đồng bộ cho tín hiệu định vị điều chế dạng BOC

Với các tín hiệu định vị mới, bên cạnh có thể sử dụng lại các giải pháp đề xuất áp dụng cho tín hiệu GPS C/A, các giải pháp chống nhiễu đa đường mới cũng được đề xuất dựa trên đặc tính c

MỞ ĐẦU

1 Hệ thống định vị sử dụng vệ tinh và ảnh hưởng của nhiễu đa đường

Trong những năm gần đây, các ứng dụng liên quan đến các hệ thống định vị sử dụng vệ tinh (GNSS) ngày càng phát triển rộng rãi Nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao đó, các hệ thống GNSS đã được hiện đại hóa hoặc triển khai mới với việc bổ sung thêm nhiều tính hiệu định vị mới Trong khi tín hiệu định vị của hệ thống GPS thế hệ I sử dụng phương thức điều chế BPSK, các tín hiệu định vị mới sử dụng một phương thức điều chế mới gọi là điều chế sóng mang dịch nhị phân (BOC) Trong quá trình lan truyền từ vệ tinh tới bộ thu định vị, các tín hiệu định vị phải chịu tác động nhiều tác nhân gây sai số Trong số đó, nhiễu đa đường có những đặc tính riêng biệt, khó khắc phục triệt để và trở thành nguồn gây sai số chính trong hệ thống GNSS Các nghiên cứu để tìm ra các giải pháp kỹ thuật xử lý tín hiệu tại bộ thu đối với sai số do truyền dẫn đa đường được thực hiện theo nhiều hướng khác nhau Về cơ bản, các giải pháp đó có thể được chia thành 3 hướng chủ yếu:

o Giải pháp thực hiện trước bộ thu ứng với miền cao tần của tín hiệu

o Giải pháp thực hiện tại khối xử lý tín hiệu trong bộ thu

o Giải pháp sau quá trình xử lý tín hiệu – kỹ thuật hậu xử lý

Với các tín hiệu định vị mới, bên cạnh có thể sử dụng lại các giải pháp đề xuất áp dụng cho tín hiệu GPS C/A, các giải pháp chống nhiễu đa đường mới cũng được đề xuất dựa trên đặc tính của phương thức điều chế BOC Bên cạnh những ưu điểm mà tín hiệu định vị mới có được nhờ phương thức điều chế BOC, một nhược điểm của các tín hiệu định mới cũng xuất hiện Đó là hiện tượng đồng bộ nhầm khi hàm tương quan của tín hiệu định vị mới có nhiều đỉnh tương quan Vì vậy, các giải pháp loại bỏ hoặc giảm thiểu nguy cơ đồng bộ nhầm đã được nghiên cứu, triển khai và áp dụng cho các bộ thu định vị mới Các giải pháp này được thực hiện theo một số xu hướng chủ yếu:

o Nghiên cứu thiết kế thay đổi cấu trúc của khối đồng bộ trong bộ thu định vị để nhận được một hàm tương quan mới thay thế cho hàm tự tương quan của tín hiệu BOC

o Sử dụng các bộ lọc để tách tín hiệu BOC thu được thành hai tín hiệu BPSK, khi đó hàm tự tương quan chỉ có một đỉnh chính

bộ tương quan) đã chứng minh được ưu điểm Tuy nhiên, hiệu quả của giải pháp DDC này đối với các tín hiệu đa đường có trễ ngắn (trễ của tín hiệu đa đường so với tín hiệu truyền thẳng nhỏ hơn ) vẫn còn rất hạn chế Do đó, việc triển khai thực hiện giải pháp đa bộ tương quan để tăng hiệu quả giảm đa đường và tăng cường hiệu quả giảm nhiễu đa đường có trễ ngắn vẫn luôn là một

đề tài được nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm

Trong các giải pháp về tránh đồng bộ nhầm cho tín hiệu BOC cũng tồn tại một số vấn đề Một

là, tuy đạt được việc tránh đồng bộ nhầm vào các đỉnh phụ nhưng làm mất đi các đặc tính nhờ bề rộng đỉnh chính hẹp của tín hiệu BOC Hai là, các giải pháp được đề xuất chỉ áp dụng tốt với một

dạng tín hiệu BOC như Ba là, giải pháp tránh đồng bộ nhầm cho các dạng điều chế BOC khác vẫn chưa được đề xuất

3 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu:

 Nghiên cứu nâng cao hiệu năng bám mã cho DLL sử dụng cấu trúc đa tương quan như cải tiến cấu trúc DDC và tối ưu cấu trúc MGD

 Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp tránh đồng bộ nhầm khi thực hiện thu tín hiệu định vị dạng điều chế BOC như tín hiệu và Đây đều là

những dạng điều chế được hệ thống GPS và Galileo sử dụng cho các tín hiệu định vị mới

Đối tượng nghiên cứu:

 Cấu trúc và các đặc điểm của mạch vòng bám mã (vòng khóa trễ - DLL) trong bộ thu GNSS

 Tập trung vào các tín hiệu định vị mới sử dụng phương pháp điều chế BOC như pha sin hoặc pha cosin

Phạm vi nghiên cứu:

 Nghiên cứu các đặc tính của các tín hiệu định vị mới sử dụng phương pháp điều chế BOC

 Nghiên cứu các đặc điểm của DLL hoạt động với tín hiệu điều chế BOC khi sóng mang đã được tách thành công

Phương pháp nghiên cứu

 Sử dụng phương pháp mô phỏng để xem xét ảnh hưởng của nhiễu đa đường đến hiệu năng hoạt động của DLL trong bộ thu GNSS Việc đánh giá sai số do tín hiệu đa đường gây ra được thực hiện thông qua tiêu chí đường bao lỗi đa đường và sai số đó (gọi là sai số khoảng cách) được xem xét tại khối bám đồng bộ tín hiệu và áp dụng cho tín hiệu định vị xuất phát

từ mỗi vệ tinh riêng rẽ (link level)

4 Cấu trúc nội dung của luận án

Cấu trúc của luận án gồm có 04 chương Phần giới thiệu về bộ thu của hệ thống định vị sử dụng

vệ tinh GNSS trình bày ở Chương 1 Chương 2 đi phân tích chi tiết về mạch vòng DLL trong bộ thu GNSS Toàn bộ đóng góp khoa học của luận án được trình bày ở các Chương 3 và Chương 4 Trong

đó, hai giải pháp giảm nhiễu đa đường dựa trên cấu trúc bộ đa tương quan áp dụng cho tín hiệu định

vị sử dụng điều chế được đề xuất, phân tích và đánh giá ở Chương 3 Chương 4 đề cập đến việc đề xuất một số giải pháp nhằm hạn chế sai lệch đồng bộ tránh nguy cơ bám nhầm đỉnh tương quan khi thực hiện bám mã tín hiệu định vị dạng điều chế BOC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG VỆ TINH 1.1.Hệ thống GNSS

Nguyên tắc hoạt động của GNSS dựa trên việc đo khoảng cách giữa người sử dụng và các vệ tinh quỹ đạo tầm trung (MEO) có vị trí đã biết Trên cơ sở các khoảng cách từ bộ thu GNSS đến ít nhất ba vệ tinh, bộ thu xác định được vị trí của nó dựa trên nguyên lý tam giác Hệ thống GNSS phổ biến nhất hiện nay là hệ thống định vị toàn cầu (GPS) của Mỹ Bên cạnh đó, còn có các hệ thống khác cũng đang được triển khai mới hoặc tái khởi động lại như GLONASS của Liên bang Nga, hệ thống Bắc đẩu (Beidou) của Trung Quốc và hệ hệ thống Galileo của Liên minh châu Âu

1.2.Bộ thu trong hệ thống GNSS

Các chức năng của một bộ thu GNSS và cấu trúc bộ thu mềm GNSS được minh họa ở Hình 1.3 Quá trình xử lý tín hiệu trong bộ thu GNSS bắt đầu từ quá trình thu nhận tín hiệu định vị từ vệ tinh của khối đầu cuối cao tần RF đến quá trình tính toán của khối xử lý bản tin dẫn đường Trong

hình vẽ, khối đồng bộ tín hiệu bao gồm: khối bắt đồng bộ tín hiệu và khối bám đồng bộ tín hiệu (sau đây gọi tắt là khối bắt tín hiệu và khối bám tín hiệu) đóng vai trò rất quan trọng và là mục tiêu nghiên cứu chính trong luận án

Đầu cuối RF

Đồng bộ tín hiệu Giải điều chế dữ liệu

Tính PVT Anten

ADC

Đầu cuối RF

Giải điều chế dữ liệu

Tính PVT Anten

ADC

Giải điều chế dữ liệu

Tính PVT Anten

ADC

Số liệu định vị

Số liệu định vị

Số liệu định vị

Đồng bộ tín hiệu

Đồng bộ tín hiệu

Phần cứng

Phần mềm

Bộ thu cứng

Bộ thu mềm SDR

Bộ thu mềm

lý tưởng

Hình 1.3 Kiến trúc tổng quát của bộ thu cứng, bộ thu mềm SDR và bộ thu mềm lý tưởng

1.3.Tín hiệu định vị vệ tinh

1.2.1 Điều chế sóng mang dịch nhị phân (BOC)

1.2.1.1.Khái niệm điều chế BOC

Tín hiệu BOC ở dạng băng gốc được tạo ra bằng cách nhân một mã giả ngẫu nhiên dạng NRZ với sóng mang con có dạng sóng vuông đã được đồng bộ với mã giả ngẫu nhiên Tùy thuộc vào pha ban đầu của sóng mang con mà tín hiệu BOC nhận được là BOC pha sin (nếu pha ban đầu của sóng mang con là 0) và BOC pha cosin (nếu pha ban đầu của sóng mang con là ) Một tín hiệu dạng BOC được ký hiệu là trong đó là tỉ số giữa tần số sóng mang con và tần số tham chiếu ; là tỉ số giữa tốc độ chip mã giả ngẫu nhiên và tần số tham chiếu Một tham số quan trọng được định nghĩa cho các tín hiệu BOC đó là bậc điều chế với

1.2.1.2.Các đặc điểm của phương thức điều chế BOC

a Hàm mật độ phổ công suất (PSD)

Hình 1.6 minh họa hàm PSD chuẩn hóa của các tín hiệu và tín hiệu BPSK Có thể nhận thấy, do tác động của sóng mang con, thành phần năng lượng chính của các tín hiệu điều chế BOC đã bị chia thành hai phần đối xứng qua tần số trung tâm và dịch chuyển ra khỏi tần số trung tâm Điều này giúp cho các tín hiệu điều chế BOC và tín hiệu BPSK có thể cùng đồng thời tồn tại trên một tần số sóng mang

Hình 1.6 PSD của tín hiệu BPSK,

và

Hình 1.7 Hàm ACF của một số tín hiệu định vị

khi bộ lọc RF có băng thông vô hạn

b Hàm tự tương quan (ACF) của tín hiệu BOC

Hàm ACF của tín hiệu BOC, được minh họa ở Hình 1.7, có dạng tuyến tính từng đoạn, xung răng cưa và có nhiều đỉnh tương quan phụ bên cạnh đỉnh tương quan chính Hàm ACF này bị thay

đổi khi băng thông của bộ lọc RF thay đổi Do ảnh hưởng băng thông bộ lọc này, đỉnh chính của hàm ACF bị uốn và bị suy hao Băng thông bộ lọc càng nhỏ thì đỉnh chính hàm ACF càng bị suy hao nhiều và bị uốn càng nhiều Ảnh hưởng của băng thông bộ lọc đến đỉnh chính hàm ACF tác động rất nhiều đến hiệu năng hoạt động của các cấu trúc ở bên trong bộ thu GNSS

1.4.Các nguồn gây lỗi trong hệ thống GNSS

sử dụng các mô hình sửa lỗi tầng điện ly để loại bỏ sai số tầng điện ly như mô hình Klobuchar

1.3.2.2.Sai số do tầng đối lưu

Mô hình hóa các thành phần khô cũng như ẩm của tầng đối lưu để tính toán sai số trong quá trình truyền tín hiệu định vị qua tầng đối lưu đã được phát triển và gọi là mô hình UNB3

1.3.3 Sai số do bộ thu GNSS

1.3.4 Sai số do đa đường

Ngoài các nguồn gây sai số ở trên, đa đường là một trong những sai số chủ yếu trong hệ thống GNSS Hiện tượng đa đường hoàn toàn mang tính cá thể, với các bộ thu GNSS khác nhau, ở các vị trí khác nhau không xa, sự tác động của hiện tượng đa đường là khác nhau Giải pháp thông dụng nhất hiện nay là tìm kiếm các kỹ thuật nhằm giảm thiểu tác động của hiện tượng đa đường đến bộ thu GNSS

CHƯƠNG 2 ĐỒNG BỘ MÃ TRONG BỘ THU GNSS 2.1 Cấu trúc của DLL

2.1.1 Cấu trúc tổng quát của DLL

Cấu trúc tổng quát của khối bám tín hiệu được minh họa ở Hình 2.1 Nhiệm vụ của khối bám tín hiệu bao gồm: bám sóng mang và bám mã PRN Trong các bộ thu GNSS, mạch vòng bám sóng mang là mạch vòng khóa pha (PLL) còn mạch vòng bám mã PRN là mạch vòng khóa trễ (DLL) Do nhiều lý do khác nhau nên hiệu năng hoạt động của DLL ảnh hưởng nghiêm trọng đến bộ thu GNSS

Hình 2.1 Sơ đồ của khối bám tín hiệu trong bộ thu GNSS

2.1.2 Bộ so pha mã trong DLL

Trong cấu trúc DLL, bộ so pha mã quyết định đến chất lượng của DLL Do đó, việc lựa chọn cấu trúc của bộ so pha mã là rất quan trọng vì việc này ảnh hưởng đến việc ước lượng ban đầu về sai số của quá trình bám mã Khi triển khai trong các bộ thu GNSS thương mại, để tránh sự phụ thuộc vào việc tách sóng mang, hai dạng thức không kết hợp thông dụng của bộ so pha mã được sử dụng:

2.1.2.1 Đặc điểm của bộ so pha

Hai tham số quan trọng để đánh giá đặc tính hoạt động của bộ so pha bao gồm:

 Miền ổn định: miền ổn định là miền xung quanh điểm lệch 0 của bộ so pha sao cho trong

miền đó khi sai số đầu vào bộ so pha không đổi dấu thì đáp ứng của bộ so pha cũng không đổi dấu

 Miền tuyến tính: miền tuyến tính là miền xung quanh điểm lệch 0 sao cho đáp ứng của bộ

so pha tỉ lệ thuận với sai số về pha ở đầu vào

Các miền ổn định và miền tuyến tính của các bộ so pha phụ thuộc không chỉ vào khoảng lệch sớm – muộn mà còn phụ thuộc vào dạng thức của bộ so pha được sử dụng cũng như dạng tín hiệu định vị được xử lý Nhằm loại bỏ những ảnh hưởng không mong muốn đến hiệu năng hoạt động của bộ so pha để thực hiện các đề xuất trong luận án, khoảng lệch sớm – muộn và băng thông bộ lọc

RF cần phải được lựa chọn hợp lý để đảm bảo các đầu ra của bộ tương quan sớm, muộn nằm trên các đoạn tuyến tính của hai bên sườn búp chính hàm ACF

2.2 Những tác động gây sai số trong DLL

Trong quá trình bám đồng bộ tín hiệu định vị, các mạch vòng bám mã DLL chịu tác động của một số nguồn gây sai số chủ yếu như: tạp âm nhiệt, tín hiệu đa đường và độ sai động của tín hiệu

2.2.1 Điều kiện biên dưới Cramer – Rao của độ chính xác bám mã

Điều kiện biên dưới Cramer – Rao (CRLB) xác định sai lệch nhỏ nhất, trong điều kiện chịu ảnh hưởng của tạp âm nhiệt, của một bộ ước lượng theo hợp lý cực đại (ML) để ước lượng thời gian đến của một tín hiệu:

RMS

B C N



Điều kiện biên Cramer – Rao phụ thuộc vào dạng điều chế của tín hiệu định vị

2.2.2 Sai số Tạp âm nhiệt

Đây là một trong những nguồn gây sai số chủ yếu trong các mạch vòng DLL, phương sai của lỗi bám mã gây ra bởi tạp âm AWGN được xác định bởi:

2.2.3 Sai số do tín hiệu đa đường

 Khái niệm về truyền dẫn đa đường

Đa đường là hiện tượng truyền sóng mà tín hiệu tới bộ thu bao gồm nhiều tia sóng thành phần khác nhau Bên cạnh thành phần tia truyền thẳng (LOS), các tia sóng khác cũng có thể tới được anten của bộ thu như tia khúc xạ, tia phản xạ, tia nhiễu xạ,…

 Mô hình kênh đa đường

Tín hiệu định vị trước khi đến bộ thu GNSS bị phản xạ, khúc xạ, tán xạ Điều này dẫn đến bên cạnh thành phần LOS, các thành phần đa đường khác của tín hiệu định vị với độ trễ, pha sóng mang

và tần số sóng mang khác nhau cùng tới anten của bộ thu GNSS

Sự tham gia của thành phần đa đường trong hàm tương quan tổng hợp làm cho hình dạng của hàm tương quan tổng hợp này khác với hàm tương quan của riêng thành phần LOS và tín hiệu tái tạo ở bộ thu Điều đó đồng nghĩa với việc tín hiệu đa đường đã làm biến dạng hàm tương quan mà

bộ thu GNSS quan tâm

Hình 2.10 Hàm ACF của tín hiệu khi có sự tham gia của tia đa đường đồng pha (Trái) và

ngược pha (Phải)

Hình dạng của hàm tương quan tổng hợp này được minh họa ở Hình 2.10 Qua hình vẽ có thể nhận thấy, hàm tương quan giữa tín hiệu thu được và tín hiệu tái tạo ở bộ thu GNSS đã bị biến dạng khi so sánh với hàm tương quan của thành phần tín hiệu LOS và tín hiệu tái tạo ở bộ thu GNSS Sự biến dạng của hàm tương quan tổng hợp này gây ra những sai lệch có thể xảy ra trong quá trình đồng bộ khi bộ thu cố gắng khóa vào đỉnh của hàm tương quan

2.2.4 Hiện tượng nhầm lẫn trong bám mã tín hiệu điều chế BOC

Đối với các tín hiệu điều chế BOC, do sự ảnh hưởng của các symbol điều chế sóng vuông, bên

cạnh đỉnh chính, hàm tự tương quan của các tín hiệu điều chế BOC có thêm nhiều đỉnh phụ Số lượng đỉnh phụ phụ thuộc vào bậc điều chế Do đó, trong quá trình bắt đồng bộ tín hiệu, hiện tượng đồng bộ nhầm xảy ra Khi xảy ra đồng bộ nhầm, giữa mã PRN trong tín hiệu thu và mã PRN tái tạo

ở bộ thu tồn tại sai lệch dẫn đến sai số trong quá trình bám mã

CHƯƠNG 3 CẤU TRÚC ĐA TƯƠNG QUAN VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG

BÁM MÃ 3.1 Các giải pháp giảm nhiễu đa đường và tiêu chí đánh giá

3.1.1 Các giải pháp giảm nhiễu đa đường

Hiện nay, các giải pháp về giảm ảnh hưởng đa đường cho các bộ thu GNSS được thực hiện theo ba xu hướng khác nhau Các giải pháp được thực hiện ở khối đồng bộ tín hiệu có nhiều ưu điểm hơn so với hai xu hướng còn lại như: tính linh động cao, hiệu quả cao Đặc biệt, các giải pháp này dễ dàng áp dụng được trong các bộ thu mềm SDR, một xu hướng thiết kế bộ thu GNSS phổ biến hiện nay trên thế giới và có chi phí rẻ hơn so với xu hướng thiết kế bộ thu cứng truyền thống

3.1.2 Các tiêu chí đánh giá tác động của nhiễu đa đường

 Phương pháp đường bao lỗi đa đường MEE

Phương pháp MEE xem xét trường hợp bộ thu GNSS được đặt trong môi trường chỉ có 1 thành phần tín hiệu đa đường bên cạnh thành phần tín hiệu LOS Trong đó, biên độ tương đối của thành

phần đa đường so với thành phần LOS duy trì không đổi trong suốt quá trình đánh giá tác động của hiện tượng đa đường Việc tính toán đường bao lỗi trung bình tương đương với việc tìm ra điểm cắt

0 của đáp ứng bộ so pha vì đây là điểm khóa ổn định của mạch vòng DLL

 Phương pháp đường bao lỗi trung bình RAE

Để đánh giá thực tế hơn, phương pháp giá trị trung bình của MEE (RAE) được sử dụng để thay thế cho MEE Trong phương pháp RAE, chỉ những giá trị tuyệt đối của đường bao mới được xem xét và tổng tích lũy của chúng được sử dụng để tính lỗi trung bình

3.2 Cấu trúc bộ tương quan kép (DDC)

Trong giải pháp DDC, thay vì chỉ sử dụng 03 bộ tương quan như trong NC , DLL sử dụng 05

bộ tương quan (hai bộ tương quan Sớm ; hai bộ tương quan Muộn và một bộ tương quan Đúng Các bộ tương quan này cách đều nhau về mặt độ trễ Trong trường hợp tách sóng

kết hợp (coherent), đáp ứng bộ so pha trong DLL của khối bám tín hiệu là sự kết hợp tuyến tính

giữa các đầu ra tương quan theo công thức:

Hình 3.5 Cấu trúc DLL dạng DDC hoạt động với tín hiệu

Với cách điều chỉnh cấu trúc của khối bám mã như vậy, giải pháp DDC có hiệu năng giảm nhiễu đa đường tốt hơn khá nhiều so với giải pháp NC, đặc biệt với những trễ đa đường trong khoảng từ trung bình đến dài (tín hiệu đa đường có trễ tương đối so với tín hiệu LOS từ đến ) Tuy nhiên, với những trễ đa đường gần (độ lệch giữa thành phần đa đường và thành phần LOS nhỏ hơn , giải pháp DDC vẫn không có sự vượt trội so với giải pháp NC

Vì vậy, để có thể cải thiện được hiệu năng giảm ảnh hưởng đa đường của giải pháp DDC, sai số của giải pháp DDC do ảnh hưởng của đa đường được đánh giá Trên cơ sở xác định được sai số đó,

ta tiến hành bù lại phần sai lệch đó để khắc phục sai lệch do đa đường gây ra Khi có sự tham gia của thành phần đa đường, đỉnh tương quan này bị lệch ra khỏi điểm lệch 0 Tùy thuộc vào pha của thành phần đa đường, đỉnh tương quan này có thể bị lệch sang phải hoặc sang trái điểm lệch

0 Điều này tương đương với điểm khóa của bộ so pha DLL bị dịch sang bên phải hoặc sang bên trái của điểm lệch 0

3.3 Điều chỉnh đáp ứng bộ so pha của cấu trúc DDC

3.2.1 Tín hiệu đa đường đồng pha

Trường hợp tín hiệu đa đường đồng pha với tín hiệu, các hàm tương quan của tín hiệu tạo ra ở

bộ thu với các tín hiệu LOS (LOS ACF), tín hiệu đa đường (MP) (MP ACF) và tín hiệu tổng được minh họa ở Hình 3.10

Gọi  là lỗi đầu ra của bộ so pha do ảnh hưởng của đa đường (lỗi này tương ứng với độ lệch của đầu ra bộ tương quan đúng khỏi điểm lệch 0 (điểm tương quan đúng); là giá trị biên độ cực

đại của hàm tương quan tín hiệu LOS; là giá trị biên độ cực đại của hàm tương quan tín hiệu đa đường MP; là trễ của thành phần đa đường so với thành phần tín hiệu LOS và là khoảng lệch sớm – muộn

Thực hiện mô hình hóa các đoạn của các hàm tương quan này Từ đó thực hiện các tính toán, biến đổi toán học để cuối cùng xác định được lỗi đầu ra bộ so pha do tác động của nhiễu đa đường:

quan khi thành phần đa đường đồng pha

Như vậy, sai lệch ở đầu ra bộ so pha do tác động của thành phần đa đường được xác định thông qua (3.15) Giá trị cực đại của sai lệch này được sử dụng để thay đổi đáp ứng đầu ra của bộ so pha Khi đó, đáp ứng đầu ra của bộ so pha trong giải pháp DDC được thay đổi và có dạng mới:

3.2.2 Tín hiệu đa đường ngược pha

Đối với trường hợp tín hiệu đa đường ngược pha với tín hiệu LOS, các hàm tương quan lúc này được minh họa ở Hình 3.11 Cũng thực hiện các giai đoạn mô hình hóa các đoạn của các hàm tương quan để xây dựng công thức xác định giá trị các đầu ra tương quan Tuy nhiên, khác với trường hợp tín hiệu MP đồng pha, một bộ tương quan muộn mới được bổ sung vào cấu trúc DLL Bộ tương quan muộn này là , có khoảng lệch so với bộ tương quan là

Cuối cùng sai lệch ở đầu ra bộ so pha được biểu diễn bởi:

3.2.3 Cơ chế xác định pha của tín hiệu đa đường

Xem xét lại công thức, khi tín hiệu đa đường có trễ nhỏ hơn , vế trái của công thức này luôn có giá trị dương khi tín hiệu đa đường đồng pha Cũng từ nhận xét đối với tín hiệu đa đường ngược pha, vế trái của luôn có giá trị bằng 0 do tín hiệu đa đường ngược pha không làm sai khác giữa hai hiệu và nên đây là một tham số quyết định pha của tín hiệu đa đường:

Bên cạnh đó, khi xét biên độ của bộ tương quan sớm và bộ tương quan muộn ta cũng có được nhận xét: khi tín hiệu đa đường đồng pha, biên độ của nhỏ hơn và ngược lại, khi tín hiệu

đa đường ngược pha, biên độ của lớn hơn Đây chính là cơ sở để xác định tham số quyết định pha của tín hiệu đa đường theo công thức:

3.2.4 Kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng giảm đa đường

Các mô phỏng được tiến hành nhằm tìm ra đường bao lỗi đa đường MEE Khi sử dụng tiêu chí đánh giá MEE, mô hình kênh truyền tĩnh bao gồm hai tín hiệu: một tín hiệu LOS và một tín hiệu

MP Tín hiệu MP có biên độ bằng ½ tín hiệu MP, có pha đồng pha hoặc ngược pha so với tín hiệu LOS Cuối cùng, độ trễ của tín hiệu MP thay đổi từ đến Các kết quả về MEE của cấu trúc cải tiến này và cấu trúc DDC được minh họa ở Hình 3.12 với các giá trị khác nhau của

Hình 3.12 Đồ thị MEE cho tín hiệu với cấu trúc EML DDC và EML DDC điều chỉnh với

1 =0.2chip (trái) và 1 =0.3chip (phải)

So với cấu trúc DDC, giải pháp cải tiến này cải thiện hiệu năng giảm đa đường khi gặp các tín hiệu đa đường có trễ ngắn Trong khi đó, với các đa đường có trễ trung bình và dài, hiệu năng giảm

đa đường không được cải thiện Như đã nêu ban đầu, mục đích chính của cấu trúc điều chỉnh này đó

là tăng hiệu năng giảm đa đường cho cấu trúc DDC khi gặp tín hiệu đa đường có trễ ngắn Do đó, yêu cầu đặt ra ban đầu đã đạt được

3.4 Cấu trúc có nhiều bộ tương quan (MGD)

3.3.1 Cấu trúc MGD và những vấn đề tồn tại

Giải pháp MGD sử dụng số lượng cặp tương quan là ( ) để tạo ra đáp ứng bộ so pha trong DLL Khi đó được gọi là bậc của cấu trúc MGD Đáp ứng bộ so pha của cấu trúc MGD có dạng (bộ lọc RF có băng thông vô cùng lớn):

tách sóng kết hợp (coherent); ứng với tách sóng không kết hợp (noncoherent)

Việc lựa chọn các trọng số và khoảng lệch sớm – muộn ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu năng hoạt động của giải pháp MGD Ngoài ra số lượng cặp tương quan càng nhiều thì độ phức tạp của cấu trúc MGD càng tăng lên gây ra những khó khăn trong việc thiết kế, chế tạo DLL

3.3.2 Cấu trúc MGD với 7 bộ tương quan

3.3.2.1 Đề xuất cấu trúc

Trên cơ sở những phân tích ở trên, cấu trúc MGD được đề xuất gồm 3 tầng ứng với 3 cặp tương quan sớm muộn như Hình 3.13 Đồng thời, một cấu trúc DLL dựa trên cấu trúc đó được đề xuất áp dụng Trong cấu trúc này, khoảng lệch của các cặp tương quan sớm – muộn , tương ứng

các bộ tương quan Sớm, Muộn cách đều nhau Hàm đầu ra của bộ so pha ở dạng “noncoherent”

được biểu diễn:

Hình 3.13 Sơ đồ khối cấu trúc MGD đề xuất

Việc lựa chọn các hệ số ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu năng hoạt động của khối bám

mã khi xét đến nhiễu đa đường Bên cạnh đó, việc lựa chọn các hệ số này ảnh hưởng đến đặc tính đầu ra của bộ so pha Tiêu chí để đánh giá đặc tính đầu ra bộ so pha đó chính là hàm đầu ra bộ so pha chỉ có một điểm cắt 0 là điểm cắt 0 đúng ứng với độ lệch bằng 0 giữa mã PRN trong tín hiệu định vị thu được và mã PRN tạo ra ở bộ thu

3.3.2.2 Tối ưu các hệ số trong cấu trúc MGD

 Nâng cao độ chính xác – tránh bám nhầm với tín hiệu

Giai đoạn thứ nhất của quá trình tối ưu nhằm tìm ra các cặp hệ số để hàm đầu ra của

bộ so pha không còn các điểm khóa nhầm Do vậy, đáp ứng đầu ra của bộ so pha phải thỏa mãn điều kiện sau:

Thực hiện điều chỉnh các hệ số của cấu trúc MGD với khoảng giá trị (việc lựa chọn khoảng giá trị này tương ứng với việc chuẩn hóa theo giá trị của hệ số với và cũng không mất đi tính tổng quát của bài toán) và bước dịch của các hệ số là , các bộ hệ số nhận được khá nhiều ứng với mỗi giá trị của khoảng lệch sớm – muộn

Hình 3.17 Đáp ứng bộ so pha của cấu trúc EMLP NC, EMLP DDC, và MGD có

(trái) và

Hình 3.17 minh họa đáp ứng bộ so pha của cấu trúc MGD được tối ưu ở giai đoạn này với các cặp hệ số được xác định ứng với các giá trị khác nhau của khoảng lệch sớm – muộn và bỏ qua ảnh hưởng của bộ lọc RF Quan sát các hình vẽ, ta nhận thấy thông qua việc lựa chọn các hệ số theo tiêu chí tối ưu được đưa ra ban đầu, các đáp ứng của bộ so pha của cấu trúc MGD không xuất hiện các điểm khoa nhầm Bộ so pha chỉ có một điểm cắt 0 trong khoảng , điều này cho phép mạch vòng bám mã tránh được hiện tượng bám nhầm

 Tối ưu hiệu năng giảm ảnh hưởng đa đường

Hình 3.20 Miền bao phủ của lỗi bám mã với cấu trúc MGD

Sang đến giai đoạn thứ hai, ứng với mỗi khoảng lệch sớm – muộn cần phải tìm ra ít nhất một

bộ hệ số mà giúp cho cấu trúc MGD có khả năng giảm ảnh hưởng đa đường tốt nhất Trong trường hợp này, khả năng giảm đa đường của mạch vòng DLL sử dụng cấu trúc MGD là tối ưu nếu lỗi trung bình nhỏ, sai số cực đại nhỏ và giá trị cực đại của trễ đa đường mà sau đó giá trị của MEE tiến về 0 cũng có giá trị nhỏ Để thuận tiện khi đánh giá, các tiêu chí này được kết hợp lại thành tiêu

chí miền bao phủ (enclosed area)

Hình 3.20 minh họa miền bao phủ của cấu trúc MGD với các tham số của mạch vòng DLL được cho ở hình vẽ Các điều kiện ban đầu như: không có nhiễu AWGN, chiều dài mã PRN đủ lớn, không có sai pha sóng mang và bỏ qua ảnh hưởng của bộ lọc RF Đồng thời, tín hiệu đa đường có biên độ tương đối là , trễ của thành phần đa đường biến đổi từ 0 đến (với bước dịch của

độ trễ là ) Căn cứ vào những tiêu chí vừa nêu và các điều kiện đầu của bài toán, khảo sát với các cặp hệ số khác nhau của đã xác định ở phần trước để tìm ra một số cặp hệ số tối ưu cho hiệu năng giảm đa đường

Thực hiện tính toán với các giá trị khác nhau của để tìm ra được các cặp hệ số tối

ưu về hiệu quả giảm đa đường cho cấu trúc MGD Các kết quả này được mô tả ở Bảng 3.6

Bảng 3.6 Giá trị tối ưu các hệ số của cấu trúc MGD

Khoảng lệch sớm –

của MGD

Miền bao phủ của NC

Miền bao phủ của DDC

Hình 3.21 MEE của cấu trúc EMLP NC, EMLP DDC, và MGD có

(trái) và (phải)

CHƯƠNG 4 CẢI THIỆN HIỆU NĂNG BÁM MÃ VỚI TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ BOC CHO

MẠCH VÒNG KHÓA TRỄ 4.1 Các giải pháp bám mã chính xác cho tín hiệu BOC

Hiện tượng bám nhầm cũng gây ra những sai số trong quá trình bám mã do ở trạng thái khóa của DLL vẫn tồn tại sai lệch giữa mã PRN trong tín hiệu định vị thu được và mã PRN được tạo ra ở

bộ thu GNSS Vì vậy, đã có nhiều giải pháp nhằm loại bỏ các đỉnh phụ trong hàm ACF để tránh

nguy cơ đồng bộ nhầm như: kỹ thuật “Bump- Jump”, giải pháp “BPSK-like”, giải pháp khử đỉnh

phụ với tên gọi triệt pha sóng mang con (SCPC) và tạo ra một hàm tương quan mới có dạng giống với hàm ACF của tín hiệu BPSK Ngoài ra còn có các giải pháp dựa trên hàm tương quan BOC – PRN cũng đã được đề xuất Tuy nhiên, với mỗi giải pháp đều tồn tại một số nhược điểm như: không