ứng dụng công nghệ thông tin xây dựng hệ thống xử lí tín hiệu số ở trung tần f30mhz phục vụ dự án rada quân sự

Nhưng việc nghiên cứu xử lý số tín hiệu rađa cho đến hiện nay chỉ mới được tiến hành thông qua nghiên cứu tiếp cận các kỹ thuật tiên tiến trong những rađa mới, một số cải tiến hệ thống x

øng dông c«ng nghÖ th«ng tin x©y dùng hÖ thèng

xö lý tÝn hiÖu sè ë trung tÇn f=30MHz phôc vô dù ¸n

s¶n xuÊt rada qu©n sù

CN§T: Chu Xu©n Quang

8810

Hµ néi - 2007

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC HÌNH 7

DANH MỤC CÁC BẢNG 13

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 14

PHẦN MỞ ĐẦU 17

PHẦN I KHẢO SÁT TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG CNTT TRONG XỬ LÝ SỐ TÍN HIỆU RAĐA 20

CHƯƠNG 1 RAĐA HIỆN ĐẠI VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ SỐ TÍN HIỆU 21

1.1.1 Tình hình và triển vọng ứng dụng các phương pháp và thiết bị kỹ thuật số trong rađa 24

1.1.2 Mô hình toán hệ thống đo-tính toán “AR+MTS” 28

1.1.3 Vấn đề hoàn thiện các phương pháp và thuật toán xử lý số tín hiệu và dữ liệu rađa 30

1.1.3.1 Những vấn đề lọc số, phát hiện tín hiệu và quỹ đạo 31

1.1.3.2 Những vấn đề đánh giá tham số tín hiệu và quỹ đạo 33

1.1.4 Những vấn đề nâng cao tốc độ phương tiện tính để xử lý số thông tin 34

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG MỘT SỐ RAĐA MỚI 37

1.2.1 Hệ thống XLTH trong phương án rađa tầm trung (Ucraina) [7] 37

1.2.1.1 Xử lý sơ cấp thông tin rađa 37

1.2.1.1.1 Thiết bị thu tương tự-số 41

1.2.1.1.2 Bộ lọc nén số tín hiệu điều tần tuyến tính 42

1.2.1.1.3 Bộ biến đổi Furiê nhanh -bộ tích luỹ tương can 43

1.2.1.1.4 Bù khử nhiễu tích cực 44

1.2.1.1.5 Bộ phát hiện tín hiệu mục tiêu, lập bản đồ địa vật 45

1.2.1.1.6 Tính tọa độ mục tiêu 49

1.2.1.1.7 Tạo cơ sở dữ liệu về diện tích phản xạ hiệu dụng các đối tượng bay để xây dựng mô hình nhận dạng các lớp mục tiêu 52

1.2.1.1.8 Bộ xử lý dữ liệu phương vị anten 52

1.2.1.2 Tuyến xử lý số tín hiệu rađa xung Đốple tương can (rađa hàng không) 53

1.2.2 Đặc điểm hệ thống xử lý tín hiệu trong một số rađa khác 60

1.2.2.1 Rađa cảnh giới sóng mét 2D (1Л13-3) [13] 60

1.2.2.2 Rađa cảnh giới sóng Dm (Kacta E2E) [14] 60

1.2.2.3 Phương án số hoá tín hiệu trong rađa hiệu chỉnh pháo của Ucraina 60

1.2.2.4 Phương án cải tiến hiện đại hoá rađa П18 61

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT RA ĐA 55Ж6 63

1.3.1 Tư liệu chung 63

1.3.1.1 Chức năng: 63

1.3.1.2 Các tính năng cơ bản 64

1.3.2 Phân tích các tham số chiến kỹ thuật cơ bản của Rađa 55Ж6 65

1.3.2.1 Vùng hoạt động 65

1.3.2.2 Sai số đo toạ độ 66

1.3.2.3 Khả năng chống nhiễu 67

1.3.3 Các tham số kỹ thuật cơ bản của Rađa 55Ж6 69

1.3.4 Thành phần của đài gồm 4 tổ hợp thiết bị chức năng: 70

1.3.5 Nguyên lý làm việc của đài và các thành phần thiết bị 70

1.3.5.1 Nguyên lý hoạt động 70

1.3.5.2 Hoạt động theo sơ đồ chức năng (hình 1.3.4) 74

1.3.6 Các chế độ công tác chủ yếu 86

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG HỆ THỐNG XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ TỪ TRUNG TẦN 30MHZ 88

1.4.1 Phân tích hệ thống xử lý tín hiệu đài rađa 55Ж6 88

1.4.2 Phương án áp dụng kết quả nghiên cứu vào đài 55Ж6 89

1.4.3 Thiết kế sơ bộ hệ thống XLSTH 89

1.4.3.1 Đối tượng nghiên cứu và thiết kế 90

1.4.3.2 Các tham số và đặc trưng chủ yếu của rađa cần thiết để thiết kế chế tạo hệ thống XLSTH 90

1.4.4.Tham số các thiết bị được thiết kế trong các tuyến 91

1.4.4.1 Bộ biến đổi tương tự-số hai nhánh cầu phương 91

1.4.4.2 Bộ lọc số tín hiệu xung đơn 92

1.4.4.3 Thiết bị số tích luỹ tương can (YKH) 92

1.4.4.4 Thiết bị bù khử tương can phản xạ nhiễu (YKKMO) 93

1.4.4.5 Thiết bị lập bản đồ nhiễu địa vật 94

1.4.4.6 Thiết bị tự động phát hiện 95

1.4.4.7 Thiết bị tự động đo lấy toạ độ 96

1.4.5 Yêu cầu chung 97

1.4.6 Danh mục tối thiểu các tín hiệu cần cho ghép nối với rađa gồm 97

PHẦN II CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG XỬ LÝ SỐ TÍN HIỆU RAĐA 100

CHƯƠNG 1 GHÉP NỐI VÀO/RA (I/O) CỦA HỆ THỐNG XLSTH 101

2.1.1 Lấy mẫu tín hiệu vô tuyến 103

2.1.2 Lượng tử hóa các tín hiệu vô tuyến 111

2.1.3 Tạo các thành phần cầu phương 116

2.1.4 Đặc điểm và những hạn chế xử lý tớn hiệu trong thời gian thực với các tín hiệu vào và ra tương tự 122

CHƯƠNG 2 CÁC BỘ XỬ LÝ CHUYÊN DỤNG VÀ ĐA NĂNG DÙNG TRONG XỬ LÝ SỐ TÍN HIỆU 125

2.2.1 Kiến trúc máy tính xử lý tín hiệu số 126

2.2.1.1 Kiến trúc Harvard 128

2.2.1.2 Xử lý theo dây chuyền 129

2.2.1.3 Phần cứng bộ nhân - tích lũy 131

2.2.1.4 Các lệnh đặc biệt 131

2.2.1.5 Phương tiện duplicate 134

2.2.1.6 Bộ nhớ trong/cache 135

2.2.1.7 Quan điểm song song mở rộng - SIMD, VLIW và xử lý siêu vô hướng tĩnh .135 2.2.2 Bộ xử lý DSP đa năng 141

2.2.2.1 Bộ xử lý DSP với dấu phẩy tĩnh 142

2.2.2.2 Các bộ xử lý DSP với dấu phẩy động 149

2.2.3 Lựa chọn bộ xử lý số tín hiệu 152

2.2.4 Thực hiện thuật toán DSP trên bộ xử lý DSP đa năng 155

2.2.4.1 Lọc số có đáp ứng xung hữu hạn (FIR) 155

2.2.4.2 Lọc số với đáp ứng xung vô hạn (IIR) 165

2.2.4.3 Tính toán biến đổi Furiê nhanh (FFT) 170

2.4.4.5 Phép tính có thay thế và hình học không đổi 174

2.3.4.6 Xáo trộn dữ liệu và đảo bit 175

2.2.5 Xử lý đa tốc độ 178

2.2.6 Lọc thích nghi 182

2.2.7 Phần cứng DSP chuyên dụng 184

2.2.8 Bộ lọc số bằng phần cứng 186

2.2.8.1 Bộ lọc FIR số 186

2.2.8.2 Bộ lọc IIR số 186

2.2.8.3 Phần cứng bộ xử lý FFT 187

CHƯƠNG 3 CÔNG NGHỆ FPGA (Field Programable Gate Array) 191

2.3.1 Tổng quan các kiến trúc và đặc điểm ứng dụng vi mạch logic lập trình trong thiết bị XLSTH (DSP) 191

2.3.1.1 Lịch sử phát triển các kiến trúc VLL qua các vi mạch lập trình tiêu biểu 192

2.3.1.2 Lựa chọn VLL để thực hiện dự án thiết kế 200

2.3.2 Thiết kế thiết bị XLSTH trên VLL bằng ngôn ngữ mô tả thiết bị VHDL 203

2.3.3 Hệ thống thiết kế VLL của hãng ALTERA 205

2.3.4 Ngôn ngữ mô tả thiết bị số AHDL 216

2.3.4.1 Dự án (bản thiết kế) 218

2.3.4.2 Quy trình thiết kế trong khuôn khổ bộ chương trình MAX+PLUS II 219

2.3.4.3 Căn bản về ngôn ngữ AHDL 222

2.3.4.3.1 Các yếu tố ngôn ngữ 222

2.3.4.2 Cấu trúc mô tả văn bản 228

CHƯƠNG 4 CÁC PHẦN MỀM THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG TRONG XỬ LÝ TÍN HIỆU 230

2.4.1 MATLAB – CÔNG CỤ TRONG XỬ LÝ SỐ TÍN HIỆU 230

2.4.1.1 Thiết kế nhanh ứng dụng cho DSP .230

2.4.1.2 Thiết kế các thuật toán và mô hình .231

2.4.1.3 Công cụ dùng cho XLS tín hiệu 233

2.4.1.4 Tạo mã, các mô hình kiểm thử và kiểm tra tính trực chuẩn 234

2.4.1.5 Phân tích và khảo sát 236

2.4.2 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LABVIEW 237

2.4.2.1 Chỉ dẫn về LabVIEW 237

2.4.2.2 Ứng dụng LabVIEW trong thiết bị 237

2.4.3.3 Real-Time Module 239

2.4.3.4 Giới thiệu về FPGA Module 239

PHẦN III THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HÊ THỐNG XLSTH TRÊN RAĐA 55Ж6 243

CHƯƠNG 1 LỰA CHỌN THIẾT BỊ 244

3.1.1 Sơ đồ chức năng hệ thống xử lý tín hiệu 244

3.1.2 Lựa chọn thiết bị thu tương tự -số 245

3.1.2.1 Mô tả sản phẩm 246

3.1.2.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động .247

3.1.2.3 Cấu trúc ADC 249

3.1.2.3.1 Hoạt động đầu vào tương tự .249

3.1.2.3.2 Sự tham chiếu điện áp ADC .251

3.1.2.4 Cấu trúc bộ chuyển đổi số 251

3.1.2.4.1 Ma trận đầu vào dữ liệu .251

3.1.2.4.2 Bộ dao động được điều khiển số học 251

3.1.2.4.3 Bộ lọc rCIC bậc 2 .252

3.1.2.4.4 Bộ lọc CIC bậc 5 253

3.1.2.4.5 Bộ lọc tham số RAM (RCF) .254

3.1.2.4.6 Các bộ lọc nửa băng nội suy và AGC 254

3.1.2.4.7 Địa chỉ bản đồ nhớ và thanh ghi điều khiển .255

3.1.2.4.8 Các bộ dao động điều khiển số học .256

3.1.2.4.9 Thanh ghi điều khiển và hệ số tỉ lệ đầu ra RCF 257

3.1.3 Lựa chọn thiết bị xử lý 257

3.1.3.1 Yêu cầu của hệ thống xử lý tín hiệu 257

3.1.3.2 Giới thiệu Board PCI 7813 R của NI 258

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ PHẦN GHÉP NỐI VỚI RAĐA 55Ж6 260

3.2.1 Các yêu cầu về tín hiệu ghép nối lấy từ rađa: 260

3.2.3 Khảo sát hệ thống truyền phương vị, xác định các tín hiệu mã phương vị 262

3.2.4 Khảo sát hệ thống đồng bộ của đài rađa 264

3.2.5 Thiết kế khối ghép nối 266

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG PHẦN MỀM HỆ THỐNG 268

3.3.1 Cài đặt AD6652 268

3.3.2 Lập trình xử lý tín hiệu 271

3.3.2.1 Thiết kế module nhận tín hiệu từ board ADC 272

3.3.2.2 Chương trình tính toán các thiết lập ban đầu cho bộ xử lý tín hiệu 275

3.3.2.4 Chương trình tích lũy tương can 282

3.3.2.5 Chương trình tách sóng 287

3.3.2.6 Chương trình tích lũy không tương can 287

3.3.2.7 Chương trình tách nhiễu tiêu cực 291

3.3.2.8 Chương trình tính ngưỡng thích nghi (CFAR) 291

3.3.2.9 Bộ phát hiện mục tiêu di động 293

3.3.2.10 Chương trình tính toán sơ bộ tham số mục tiêu 296

3.3.2.11 Chương trình tách điểm dấu vệ tinh 297

3.3.2.12 Chương trình hiển thị mục tiêu và truyền thông tin 298

CHƯƠNG 4 THỬ NGHIỆM VỚI THIẾT BỊ MÔ PHỎNG 300

3.4.1 Thử nghiệm AD6652 300

3.4.2 Thử nghiệm thiết bị xử lý tín hiệu với thiết bị mô phỏng tạo giả 301

3.4.2.1 Giới thiệu chung về thiết bị tạo giả 301

3.4.2.1.1 Chức năng 302

3.4.2.1.2 Thành phần thiết bị tạo giả 302

3.4.2.1.3 Các tham số chính của bộ tạo giả tín hiệu 302

3.4.2.2.1 Lựa chọn tần số lấy mẫu 305

3.4.2.2.2 Tính các tín hiệu không có điều chế trong xung 306

3.4.2.2.3 Tính các tín hiệu điều tần tuyến tính 308

3.4.2.2.4 Tính các tín hiệu ma-níp pha 310

3.4.2.2.5 Tính giản đồ hướng anten 314

3.4.2.2.6 Tính toán tín hiệu ra đa phản xạ từ mặt đất (nhiễu địa vật) 316

3.4.2.2.7 Phương pháp tính nội tạp, nhiễu tích cực và nhiễu xung không đồng bộ 320

3.4.2.2.8 Phương pháp tính quỹ đạo bay của các mục tiêu khí động học 322

3.4.3.3 Tạo tín hiệu ở đẩu ra khối БФKC 323

3.4.3.4 Tạo các tín hiệu tương tự bằng khối БФKC 326

3.4.3.5 Tạo tín hiệu đẩu ra bằng khối БФВЧ 327

3.4.3.6 Đặt tham số thử nghiệm cho thiết bị XLTHS trên thiết bị mô phỏng 329

3.4.4 Kết quả thử nghiệm 332

CHƯƠNG 5 THỬ NGHIỆM TẠI ĐƠN VỊ 336

3.5.1 Lần thứ nhất (03/05/2007) 336

3.5.2.Lần thứ hai (ngày 28/10 đến 1/11/2009) 337

3.5.3.Lần thứ ba (ngày 17 đến 19/12/2009) 340

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 343

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1.1 Sơ đồ cấu trúc phần thu rađa với mạng anten số 25

Hình 1.2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống xử lý cấp một tín hiệu Rađa 40

Hình 1.2.2 Sơ đồ cấu trúc bộ tách sóng pha cầu phương 41

Hình 1.2.3 Sơ đồ cấu trúc của bộ phát hiện 46

Hình 1.2.4 51

Hình 1.2.5 51

Hình 1.2.6 Sơ đồ cấu trúc tuyến xử lý số tín hiệu 55

Hình 1.2.7 Đặc trưng tốc độ kênh tương can (K, dB; f, Hz;) 59

Hình 1.3.1 Đài rađa 55Ж6 63

Hình 1.3.2 Vùng phát hiện của 55Ж6 trong mặt phẳng đứng 66

Hình 1.3.3 Nguyên lý đo độ cao của đài Rađa 55Ж6 72

Hình 1.3.4 .74

Hình 2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống XLSTH thời gian thực tổng quát 102

Hình 2.1.2 Biểu diễn quá trình biến đổi tín hiệu tương tự thành số 102

Hình 2.1.3 .105

Hình 2.1.4 .106

Hình 2.1.5 .108

Hình 2.16 109

Hình 2.1.7 .117

Hình 2.1.8 .118

Hình 2.1.9 Bộ tạo TPCF 2 kênh dùng dây giữ chậm 118

Hình 2.1.10 .119

Hình 2.1.11 .120

Hình 2.1.12 .120

Hình 2.1.13 Phổ tín hiệu sau lấy mẫu bị chồng phổ Các tín hiệu trong vùng chồng phổ không thể khôi phục được F N bằng 1/2 tần số lấy mẫu và thường được gọi là tần số Nyquist Để khôi phục tất cả các thành phần tín hiệu cần chọn tần số lấy mẫu cao hơn hoặc tối thiểu bằng 2 lần tần số thành phần cao nhất của tín hiệu 123

Hình 2.2.1 Kiến trúc rút gọn của bộ vi xử lý tiêu chuẩn 126

Hình 2.2.2 Kiến trúc phần cứng đa năng tiêu chuẩn để xử lý tín hiệu 127

Hình 2.2.3 Kiến trúc kiểu Harvard tiêu chuẩn với các miền nhớ riêng rẽ để cất giữ dữ liệu và chương trình .129

Hình 2.2.4 Minh họa gọi trùng các lệnh khi sử dụng kiến trúc Harvard 129

Hình 2.2.5 Cấu hình bộ nhân - tích lũy tiêu biểu dùng cho DSP 132

Hình 2.2.6 Thiết bị số học kép và đường kép truyền dữ liệu để xử lý theo sơ đồ SIMD 137 Hình 2.2.7 Minh họa sử dụng xử lý theo sơ đồ SIMD và bảo đảm dữ liệu vài kích thước để tăng số lượng nhân - tích lũy từ một lên bốn trong bộ xử lý TigerSHARC 137

Hình 2.2.8 Nguyên tắc cấu trúc với từ lệnh siêu dài (VLIW) và sơ đồ chuỗi dữ liệu trong các bộ xử lý TMS320C62x Chú thích: L1, L2 - phần tử logic; 139

Hình 2.2.9 Nguyên tắc cấu trúc siêu vô hướng và sơ đồ chuỗi dữ liệu trong bộ xử lý DSP TigerSHARC 140

Hình 2.2.10 Cấu trúc rút gọn của bộ xử lý DSP với dấu phẩy tĩnh thế hệ thứ hai (Texas Instruments TMS320C50) 143

Hình 2.2.11 Cấu trúc rút gọn của bộ xử lý DSP với dấu phẩy tĩnh thế hệ thứ hai (Motorola DSP56002) 144

Hình 2.2.12 Cấu trúc rút gọn của bộ xử lý DSP với dấu phẩy tĩnh thế hệ thứ hai (Analog Devices ADSP2100) 145

Hình 2.1.13 Cấu trúc rút gọn của bộ xử lý DSP với dấu phẩy tĩnh thế hệ thứ ba (Texas Instruments TMS320C54x) 146

Hình 2.2.14 Cấu trúc rút gọn của bộ xử lý DSP với dấu phẩy tĩnh thế hệ thứ ba (Motorola DSP46300) 147

Hình 2.2.15 Cấu trúc rút gọn của bộ xử lý DSP với dấu phẩy tĩnh thế hệ thứ tư (Texas Instruments TMS320C62x) Hai đường số học độc lập để truyền dữ liệu, mỗi đường có bốn khối thao tác - L1, S1, M1, D1, và L2, S2, M2, D2 .149

Hình 2.2.16 Thực hiện bộ lọc FIR: 156

Hình 2.2.17 Sơ đồ chức năng bộ lọc FIR Chu trình trong của bộ lọc FIR tính tổng số siêu chính xác .160

Hình 2.2.18 Minh họa nguyên tắc thực hiện bộ lọc FIR trên cơ sở bộ đệm vòng 162

Hình 2.2.19 Khâu chính tắc bậc hai: 165

Hình 2.2.20 Thực hiện khâu bậc hai dưới dạng trực tiếp 166

Hình 2.2.21 Thực hiện ghép tầng bộ lọc IIR 167

Hình 2.2.22 Thực hiện bộ lọc IIR bậc bốn: 170

Hình 2.2.23 Hai kiểu “cánh bướm” sử dụng trong thuật toán FFT nhị phân: 171

Hình 2.2.24 Giản đồ đi của tín hiệu theo FFT với lược hóa theo thời gian có thay thế, trong đó lối vào đi theo thứ tự tự nhiên, còn lối ra được viết theo thứ tự xác định bằng các bít đảo 175

Hình 2.2.25 FFT nhị phân với hình học không đổi, 176

Hình 2.2.26 Giản đồ đi của tín hiệu đối với FFT có lược hóa theo thời gian và thay thế ô nhớ; dữ liệu vào được trình bày theo thứ tự xác định bằng bit đảo, còn dữ liệu ra đi theo

thứ tự tự nhiên 176

Hình 2.2.27 Dạng chung của sơ đồ chức năng 181

Hình 2.2.28 Sơ đồ cất giữ hệ số và dữ liệu bộ lược hóa ba tầng 182

Hình 2.2.29 Cấu trúc chung của bộ lọc thích nghi: một cặp lối vào và một cặp lối ra 183

Hình 2.2.30 Cấu trúc phần cứng của bộ lọc FIR số 188

Hình 2.2.31 Bộ lọc IIR: 188

Hình 2.2.32 Sơ đồ bộ xử lý bằng phần cứng để tính “cánh bướm” 189

Hình 2.2.34 Đệm kép trong FFT thời gian thực 190

Hình 2.3.1 Kiến trúc FPGA 194

Hình 2.3.2 Cấu trúc khối CLB họ Spartan của XILINK 195

Hình 2.3.3 Cấu trúc phần tử logic của VLL họ FLEX6000 hãng Altera 196

Hình 2.3.4 Kiến trúc VLL FLEX10K 197

Hình 2.3.5 Kiến trúc VLL APEX20K 199

Hình 2.3.6 Kiến trúc VLL Virtex 200

Hình 2.3.7 .205

Hình 2.3.8 .207

Hình 2.3.9 Các phương pháp mô tả các file dự án 210

Hình 2.3.10 Quy trình thiết kế tiêu biểu 220

Hình 2.4.1 232

Hình 2.4.2 Project sử dụng cho thiết bị xử lý 238

Hình 2.4.3 Interactive Front Panel Communication 240

Hình 2.4.4 Programmatic FPGA Interface Communication 241

Hình 3.1.1 Sơ đồ cấu trúc thiết bị xử lý tín hiệu rađa 244

Hình 3.1.2 Phần lõi của hệ thống xử lý số tín hiệu 245

Hình 3.1.3 Sơ đồ chức năng AD6652 248

Hình 3.1.4 Sơ đồ khối AD6652 248

Hình 3.1.5 Chuyển mạch SHA đầu vào cho mỗi kênh ADC 250

Hình 3.1.6 Sơ đồ khối bộ lọc hệ số RAM 254

Hình 3.1.7 Cấu trúc phần cứng của Board PCI 7813R 258

Hình 3.1.8 Mô hình và bố trí các linh kiện trên PCI 7813R 259

Hình 3.2.1 Sơ đồ chức năng thiết bị ghép nối 266

Hình 3.3.1 Các vị trí của jum mặc định 268

Hình 3.3.2 Giao diện phầm mềm điều khiển bo mạch AD6652 269

Hình 3.3.3 Kết quả phân tích phổ tín hiệu 10MHz từ bên ngoài 270

Hình 3.3.4 Các chân kết nối lựa chọn điện áp tham chiếu 270

Hình 3.3.5 Giao thức truyền dữ liệu từ Board AD6652 272

Hình 3.3.6 Đặc tính bộ lọc thông thấp sử dụng cho bộ lấy mẫu tín hiệu 273

Hình 3.3.7 Thiết kế bộ thu tín hiệu trên phần mềm LabVIEW FPGA Module 274

Hình 3.3.8 Chương trình nén xung mã Barker 13 phần tử sử dụng phép biến đổi Phu-ri-ê 275

Hình 3.3.9 Chương trình thực hiện nén xung tin hiệu trên nền LabVIEW FPGA Module 276

Hình 3.3.10 Lọc nén sử dụng tích chập 277

Hình 3.3.11 So sánh phổ tín hiệu đầu vào khi sử dụng cửa sổ Hamming và không có cửa sổ 278

Hình 3.3.12 Chương trình nén xung sử dụng tích chập 279

Hình 3.3.13 Tín hiệu đầu vào chương trình nén xung 280

Hình 3.3.14 Tín hiệu đầu ra tại điểm có mục tiêu với phương pháp nén xung sử dụng phương pháp tích chập 280

Hình 3.3.15 Tín hiệu đầu ra tại điểm có mục tiêu với phương pháp nén xung sử dụng phương pháp biến đổi Phu-ri-ê 281

Hình 3.3.16 Thuật toán cánh bướm phục vụ cho tính toán tích lũy tương can 283

Hình 3.3.17 Thuật toán tích lũy tương can ứng với N điểm đầu vào 284

Hình 3.3.18 Thuật toán tính toán hàm cửa sổ cho tích lũy tương can 285

Hình 3.3.19 Chương trình tách sóng tín hiệu 286

Hình 3.3.20 Thuật toán tích lũy tương can 287

Hình 3.3.21 Thuật toán xắp xếp mảng dữ liệu đầu vào 288

Hình 3.3.22 Thuật toán đánh dấu của mảng 289

Hình 3.3.23 Thuật toán cộng không tương can ứng với tần số Đốp-lơ 290

Hình 3.3.24 Thuật toán CA-CFAR 292

Hình 3.3.25 Thuật toán OS-CFAR 292

Hình 3.3.26 Bộ phát hiện mục tiêu di động 293

Hình3.3.27 Bộ lọc đa kênh, lấy tổng và tính trung binh 294

Hình3.3.28 Bộ phát hiện OS-CFAR và đánh giá tham số mục tiêu 294

Hinh 3.3.29 Thuật toán MTD 295

Hình 3.3.30 Chương trình tính toán phương vị mục tiêu 296

Hình 3.3.31 Chương trình tính toán giá trị tần số Đốp-lơ 297

Hình 3.3.32 Chương trình đồng bộ mục tiêu theo phương vị 297

Hình 3.3.33 Chương trình loại điểm dấu vệ tinh 298

Hình 3.3.34 Chương trình hiển thị và truyền thông tin 299

Hình 3.4.1 Kết quả tách pha cầu phương theo mô phỏng 300

Hình 3.4.2 Đường bao trên các kênh I và Q 301

Hình 3.4.3 307

Hình 3.4.4 308

Hình 3.4.5 309

Hình 3.4.6 309

Hình 3.4.7 310

Hình 3.4.8 310

Hình 3.4.9 311

Hình 3.4.10 312

Hình 3.4.11 313

Hình 3.4.12 313

Hình 3.4.13 313

Hình 3.4.14 315

Hình 3.4.15 315

Hình 3.4.16 316

Hình 3.4.17 316

Hình 3.4.18 319

Hình 3.4.19 319

Hình 3.4.20 319

Hình 3.4.21 320

Hình 3.4.22 325

Hình 3.4.23 328

Hình 3.4.24 329

Hình 3.4.25 .330

Hình 3.4.26 331

Hình 3.4.27 331

Hình 3.4.28 332

Hình 3.4.29 332

Hình 3.4.30 333

Hình 3.4.31 333

Hình 3.4.32 334

Hình 3.5.1 Tín hiệu trung tần chữa mã Barker (ảnh chụp) 337

Hình 3.5.2 Đường bao tín hiệu sau tách pha cầu phương bằng card AD6652 337 Hình 3.5.3 Tín hiệu nén sau tích lũy tương can tại điểm có mục tiêu 339 Hình 3.5.4 Màn hình hiển thị mục tiêu trong lần thử nghiệm thứ nhất (số lượng mục tiêu: 4 tốp) 339 Hình 3.5.5 Màn hình hiển thị mục tiêu khi có hai tốp mục tiêu 341 Hình 3.5.6 Màn hình hiển thị mục tiêu khi Zoom vị trí 2 tốp mục tiêu 341

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.3.1 66

Bảng 1.3.2 67

Bảng 1.3.3 69

Bảng 2.1.1 Đánh giá độ suy giảm tối thiểu trong dải chế áp của bộ lọc thấp tần (A min) đối với các giá trị khả năng phân giải khác nhau của ADC (B-số bit) .123

Bảng 2.2.2 Đặc điểm các bộ xử lý DSP đa năng với dấu phẩy tĩnh 143

Bảng 2.2.3 Hệ số bộ lọc ví dụ 2.2.1 163

Bảng 2.2.4 Hệ số bộ lọc của bộ lược hóa ba tầng 179

Bảng 2.3.1 Các đặc trưng chủ yếu của VLL họ APEX20K hãng Altera 198

Bảng 2.3.2 199

Bảng 2.3.3 Các đặc trưng cơ bản của bộ chương trình MAX+PLUS II BASELINE ver 9.4 201

Bảng 2.3.4 .208

Bảng 2.3.5 222

Bảng 2.3.6 223

Bảng 2.3.7 224

Bảng 2.3.8 226

Bảng 2.3.9 227

Bảng 2.3.10 Các trigơ thô sơ trong AHDL 228

Bảng 3.1.1 253

Bảng 3.1.2 255

Bảng 3.1.3 256

Bảng 3.2.1 265

Bảng 3.3.1 Cấu hình lựa chọn Jum và kết nối cho clk trên board và bên ngoài 271

Bảng 3.3.2 271

Bảng 3.3.3 271

Bảng 3.3.4 277

Bảng 3.3.5 281

Bảng 3.4.1 Thiết bị tạo giả có những tham số cơ bản sau: 302

Bảng 3.4.2 311

Bảng 3.4.3 312

CNTT Công nghệ thông tin

DAR Điều khiển số

KĐXL Khuếch đại xử lý

ĐTTT Điều tần tuyến tính

GĐH Giản đồ hướng

GĐHA Giản đồ hướng ăng ten

HT4ĐB Hệ thống thông tin- tính toán đặc biệt

KĐCT Khuếch đại cao tần

ADC Biến đổi tương tự- số

ADCP Bộ biến đổi tương tự- số hai nhánh cầu phương

COTS Commercial Of The Shelf

DAC Biến đổi số- tương tự

DSP Xử lý số tín hiệu

EAB Khối mảng nhúng

EPR Diện tích phản xạ hiệu dụng

IIR Bộ lọc đáp ứng xung vô hạn

I/O Vào/ra

EDA Tự động thiết kế điện tử

FIR Bộ lọc đáp ứng xung hữu hạn

FFT Biến đổi Phu-ri-ê nhanh

FPGA Mảng trường cổng lập trình được

MFLOPS Triệu phép tính dấu phẩy động trên một giây PLA Mảng logic lập trình được

SOC Hệ thống onchip

VLL Vi mạch lập trình logic

APY Tự điều khuếch

AMY Ăng ten- phi đơ

КФМ Mã điều pha Barker 13 vị trí

ЛЧМ Điều tần tuyến tính

МШУ Bộ khuếch đại công suất

OA Giản đồ hướng ăng ten chính

YAO Thiết bị tự động phát hiện

YACK Thiết bị tự động đo tọa độ

vị trí quan trọng góp phần nâng cao tính năng, hiệu quả sử dụng khí tài, vũ khí Hiện nay, một vấn đề khoa học-kỹ thuật quan trọng nhất trong lĩnh vực này là thực hiện các hệ thống thu thập, xử lý và truyền các luồng thông tin siêu lớn trong thời gian thực XLSTH, do đó, chính là tin học thời gian thực và là nền tảng để giải quyết những nhiệm vụ trên trong giai đoạn hiện tại

Rađa là hệ thống thiết bị vô tuyến định vị được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là quân sự Xử lý tín hiệu rađa là chức năng quan trọng trong các

hệ thống rađa hiện đại Các nước có nền công nghiệp chế tạo rađa quân sự phát triển (Mỹ, Pháp, Đức, Thụy Điển, Nga, Belarus, Ixraen ) đã có nhiều công trình nghiên cứu xử lý số tín hiệu rađa, đặc biệt là nghiên cứu ứng dụng công nghệ thông tin và những sản phẩm của kỹ thuật điện tử hiện đại (các vi mạch tích hợp cao), đồng thời phát triển các phần mềm chuyên dụng với nhiều thuật toán phức tạp Nhờ đó đã giải được bài toán xử lý tín hiệu bằng phương pháp số từ trung tần, cho phép nâng cao tính năng kỹ thuật, hiệu quả chiến đấu của rađa quân sự Việc nghiên cứu xử lý số tín hiệu và áp dụng các công nghệ tiên tiến như FPGA (Field Programmable Gate Arrays), DSP (Digital Signal Processing) đã được ứng dụng cho một số loại rađa, cho phép nâng cao độ phân biệt, độ chính xác đo tọa độ cao và khả năng chống nhiễu tốt, đáp ứng các yêu cầu phức tạp của tác chiến hiện đại Diễn biến của các cuộc chiến tranh và xung đột quân sự gần đây ở Trung Đông, Nam Tư cũ đã chứng minh điều này Chế tạo các rađa có ứng dụng xử lý tín hiệu số đã và đang là hướng

nghiên cứu ưu tiên trên thế giới Các công nghệ cơ bản phục vụ cho xử lý số tín hiệu rađa được ưu tiên nghiên cứu là: công nghệ DSP, công nghệ FPGA và công nghệ chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang số (ADC)

Ở nước ta, việc nghiên cứu xử lý tín hiệu rađa với những mục đích cụ thể đã được tiến hành ở một số cơ sở của quân đội và Nhà nước như: Viện KHCNQS, Học viện KTQS, Viện Kỹ thuật PK-KQ, Học viện Bưu chính viễn thông, Đại học Bách khoa Hà Nội Nhưng việc nghiên cứu xử lý số tín hiệu rađa cho đến hiện nay chỉ mới được tiến hành thông qua nghiên cứu tiếp cận các kỹ thuật tiên tiến trong những rađa mới, một số cải tiến hệ thống xử lý tín hiệu của các đài rađa thế hệ cũ phát xung dải hẹp, thực hiện ở một số công đoạn trong quy trình xử lý tín hiệu, tập trung nhiều vào phần xử lý từ thị tần Một số kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng trong thực tế, phục vụ có hiệu quả cho việc cải tiến, hiện đại hóa các hệ thống rađa sẵn có

Như trên đã nói, sự phát triển mạnh mẽ của các công nghệ như DSP, FPGA cho phép tạo ra những môđun phần cứng (bảng mạch) có cấu trúc trọn vẹn, đa năng,

có tính mở với phần mềm công cụ đi kèm, cho phép vẫn với các bảng mạch đó khi thay đổi phần mềm điều khiển sẽ giải quyết một loạt các bài toán cùng loại cho những tình huống có các điều kiện nằm trong những dải nhất định, trong trường hợp này là bài toán xử lý các loại tín hiệu trong một loại đài rađa nào đó với những tính năng chiến - kỹ thuật cụ thể Có thể gọi đó là những phần cứng được nhất thể hoá

Thêm vào đó, sự phát triển nhanh chóng của CNTT, nhất là trong lĩnh vực phần mềm điều khiển, xử lý thông tin cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc xử lý số tín hiệu rađa

Tuy nhiên, đây cũng là những bí quyết công nghệ mà các nhà thiết kế, chế tạo rađa, nhất là rađa quân sự, đều cố gắng giữ kín Trong quá trình hợp tác với nước ngoài để triển khai các nghiên cứu về rađa, chúng ta cũng gặp rất nhiều khó khăn trong vấn đề này

Chính vì vậy, việc nghiên cứu một cách cơ bản, có định hướng để làm chủ công nghệ xử lý số tín hiệu rađa đã trở thành một yêu cầu cấp bách, đặc biệt là đối với nhiệm vụ cải tiến, hiện đại hóa, chế tạo rađa quân sự trong điều kiện chiến tranh công nghệ cao

Hiện nay, được sự quan tâm của Nhà nước và quân đội, cùng với sự đầu tư bước đầu của một số bộ ngành, nhất là của các cơ sở đã nêu trên, việc hợp tác nghiên cứu chuyên sâu về xử lý số tín hiệu rađa ở trong nước đã có cơ sở và tính khả thi cao Đề tài “Ứng dụng công nghệ thông tin xây dung hệ thống xử lý tín hiệu

số ở trung tần F=30MHz phục vụ dự án sản xuất rađa quân sự” là một bước quan trọng trong tiến trình đó

Báo cáo này trình bày các kết quả nghiên cứu và thử nghiệm thiết bị XLSTH rađa được tích hợp trên cơ sở các bảng mạch dạng COTS, các phần mềm ứng dụng

xử lý tín hiệu và thiết bị ghép nối với hệ thống rađa

Báo cáo gồm:

- Phần mở đầu

- Phần I- Khảo sát tình hình ứng dụng CNTT trong xử lý số tín hiệu rađa;

- Phần II- Các thành phần cơ bản trong xử lý số tin hiệu rađa;

- Phần II- Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống XLSTH trên rađa; 55Ж6

- Kết luận và kiến nghị

PHẦN I KHẢO SÁT TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG CNTT TRONG XỬ LÝ SỐ TÍN HIỆU RAĐA

CHƯƠNG 1 RAĐA HIỆN ĐẠI VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ SỐ TÍN HIỆU

Sự mở rộng các lĩnh vực áp dụng và mức độ nhiệm vụ phức tạp ngày càng tăng mà các tổ hợp rađa phải giải quyết kết hợp với những thành tựu mới đáng kể trong đảm bảo tính linh hoạt và tốc độ của kỹ thuật máy tính số hiện đại đã tạo điều kiện cho sự xuất hiện và phát triển mạnh những rađa mới có khả năng đồng thời sục sạo tìm mục tiêu mới và bám sát một số lượng lớn các mục tiêu được phát hiện

Cho đến nay đã xảy ra bước nhảy vọt trong rađa liên quan đến việc ứng dụng mạnh mẽ mạng anten với các phương pháp tạo tia bằng cách điều khiển pha (FAR)

và số (DAR) cũng như kỹ thuật tính trên vi xử lý để xử lý thông tin rađa Khi ấy tất

cả các giai đoạn và phép xử lý thông tin - điều khiển trong quá trình định vị vô tuyến các đối tượng (mục tiêu) được thực hiện dưới dạng số nên bản thân rađa được xem như một hệ thống thông tin-tính toán số

Dưới đây là những quan điểm hiện đại về hoàn thiện và ứng dụng các phương pháp số xử lý thông tin và điều khiển trong rađa

1 Ngay trong các đài rađa hiện đại đã ứng dụng các phương pháp và thiết bị

số vượt xa ra ngoài tầm giải quyết các nhiệm vụ xử lý thông tin Khuynh hướng vận

dụng các phương pháp số tạo tín hiệu thăm dò trở nên rõ nét đã cho phép mở rộng

đáng kể khả năng thông tin của rađa như là nguồn thông tin đa chức năng Các phương pháp số được ứng dụng thành công để giải quyết các bài toán tạo tia, điều khiển giản đồ định hướng (GĐH) của anten mạng pha (FAR) và hiệu chỉnh méo trong FAR Với phương pháp số điều khiển FAR có thể xây dựng hệ thống hiệu chỉnh các sai lệch khi phát một cách hiệu quả ở các vị trí góc của tia anten Tuy nhiên, việc tạo và điều khiển GĐH mạng anten bằng cách đặt pha cho các phần tử anten trong trường hợp chung liên quan đến mất mát năng lượng Do đó, khả năng tạo tia có hình dạng cần thiết bị hạn chế Khả năng tạo nhiều tia đồng thời, tức

GĐHA đa tia, cũng bị hạn chế Tạo tia anten bằng phương pháp số ở hình tần và

hình thành các đặc trưng không gian cho anten bằng cách tổng hợp có trọng số các tín hiệu ra phức từ mỗi phần tử (hay nhóm phần tử) của mạng anten được biến đổi

sang dạng số được xem là tiện lợi hơn và có triển vọng hơn Việc bổ sung trọng số

và cộng tín hiệu có thể được thực hiện bằng các thiết bị số thay cho các khối cao tần tương can Trong trường hợp đó ta có các mạng anten số (DAR)

Xây dựng lý thuyết và kỹ thuật ứng dụng các phương pháp số hình thành và điều khiển GĐHA các mạng anten phát và thu là một trong những hướng phát triển rađa quan trọng và rất triển vọng

2 Từ lâu đã biết rằng lọc không gian các tín hiệu ra mạng anten thu (số hay pha) trong điều kiện nhiễu phức tạp phải là lọc thích nghi Các phương pháp tương

tự xử lý không gian thích nghi không được phổ biến rộng rãi vì hiệu quả thấp, nhất

là khi có nhiều nguồn nhiễu Vì vậy, việc chuyển sang dùng các phương pháp lọc không gian tín hiệu ra mạng anten hoàn toàn số là không tránh khỏi Để lọc số không gian, nói chung, cần số hoá tín hiệu tại đầu ra mỗi phần tử của mạng anten Vấn đề chính trong trường hợp này là các tính toán cực kỳ phức tạp Vấn đề này có thể được giải quyết nhờ hoàn thiện các thuật toán và xây dựng tổ hợp thiết bị tính hợp lý

Xây dựng lý thuyết và kỹ thuật lọc số không gian các tín hiệu ra mạng anten cũng là một hướng ứng dụng các phương pháp số vào rađa đầy triển vọng

3 Xử lý số thời gian-tần số các tín hiệu rađa tương can và không tương can

đã được phổ biến rộng rãi Vấn đề cơ bản ở đây là cần phải vượt qua trở ngại do

tính bất định vốn có của tín hiệu và nhiễu thu được Vì vậy, nhiệm vụ xây dựng

những phương pháp và thuật toán xử lý các tín hiệu bất biến đối với các đặc tính năng lượng và thống kê của nhiễu là cấp thiết

Các nghiên cứu về hoàn thiện những thủ tục cơ sở xử lý tín hiệu phù hợp nhất để thực hiện bằng các phương tiện kỹ thuật tính số cũng có ý nghĩa quan trọng

Từ quan điểm đó các khảo sát trong những năm gần đây về các mô hình toán xử lý

số tín hiệu trên cơ sở các hệ thống đại số trừu tượng (trường Galoa, các vòng hữu hạn, đại số các hàm k-ký tự, v.v.) là rất cần được quan tâm Những mô hình như vậy tính đến cấu trúc tín hiệu số một cách đầy đủ nhất nên sẽ đơn giản hoá việc thực hiện các thuật toán tương ứng trên các thiết bị số chuyên dụng

4 Trong việc diễn giải dữ liệu rađa nhận từ các đối tượng được định vị (lọc, ngoại suy, phát hiện và duy trì quỹ đạo theo các dữ liệu đo rađa) bài toán đặt ra là tìm các tham số mô hình đối tượng được định vị mà bản thân các tham số đó không được quan sát trực tiếp Trong trường hợp chung, những bài toán như vậy thuộc lớp

các bài toán không chỉnh Để giải những bài toán này cần sử dụng những ý tưởng và phương pháp tìm các thuật toán bền vững, ví dụ, bằng cách điều hoà hay đơn giản hoá các số đo (kết quả đo) Các đánh giá tham số nhận được trong quá trình giải bài toán diễn giải các dữ liệu rađa có thể xem là tối ưu nếu chúng được đăc trưng bởi phương sai và độ lệch tối thiểu, tức là nghiệm của bài toán hai chỉ tiêu tối thiểu hoá đồng thời các tiêu chuẩn chất lượng đó Các đánh giá tương ứng khi đó được gọi là tối ưu Pareto

Như vậy, hai hướng nghiên cứu mới được xác định rõ trong việc giải các bài toán khôi phục tham số mô hình đối tượng theo các dữ liệu đo rađa rời rạc là:

a Đưa ra nghiệm bền vững cho các bài toán ngược trong rađa;

b Lập các phương pháp và thuật toán đánh giá tối ưu Pareto các tham số quỹ đạo, điều khiển tia GĐHA, v v

5 Trong các tổ hợp rađa số phức tạp khi hoạt động trong những điều kiện nhiễu tác động thì việc thích nghi tổ hợp với ngoại cảnh thay đổi nhanh nhằm đảm bảo phân bổ tối ưu các tiềm năng thời gian và năng lượng vốn hữu hạn đối với tập

hợp các đối tượng định vị (mục tiêu) được xử lý là vấn đề nguyên tắc Bài toán điều

khiển các tiềm năng có hạn của rađa thế hệ mới được đặt ra từ lâu và được giải

trong nhiều công trình Tuy nhiên, vấn đề vẫn chưa giải quyết một cách tổng thể đến cùng và đòi hỏi tiếp tục nghiên cứu chi tiết hơn cả về lý thuyết cũng như thể hiện các thuật toán tương ứng bằng những phương tiện tính toán chuyên dụng và trên máy tính điện tử

6 Khâu liên kết giữa các thành tựu lý thuyết (thuật toán) và tiêu chuẩn chất lượng của các hệ thống xử lý số thông tin rađa và điều khiển rađa trên thực tế là kiến trúc tổ hợp tính toán số được kết nối với rađa, có tính đến các linh kiện và các cấu trúc tính cơ sở hiện có Hiện nay, khi giải đa số các bài toán xử lý số thông tin rađa xuất hiện sự cần thiết điều chuyển các thuật toán và kiến trúc máy tính tuỳ thuộc vào các kết quả trung gian và trạng thái môi trường bên ngoài Để thực hiện điều đó cần máy tính có năng suất tính cao kết hợp với lôgic điều khiển quá trình tính rõ ràng Các kiến trúc có khả năng tự cải tổ trong quá trình hoạt động và thích

nghi với các điều kiện công tác thay đổi được gọi là kiến trúc thích nghi Tạo máy

tính với kiến trúc thích nghi là một giai đoạn mới trong phát triển các phương tiện

tính cho xử lý số thông tin và điều khiển trong rađa

Những hướng nghiên cứu được nêu và lập luận trên đây xác định triển vọng phát triển không chỉ của xử lý số thông tin rađa mà toàn bộ rađa nói chung Trong

đó, nền tảng là việc thực hiện bằng kỹ thuật số tất cả các khâu chức năng cơ bản của rađa: tạo tín hiệu thăm dò, hình thành GĐHA đa tia trên cơ sở mạng anten, điều khiển GĐHA mạng anten, xử lý các tín hiệu thu được và dữ liệu rađa, điều khiển quan sát không gian và phân bổ các tài nguyên năng lượng của rađa đa chức năng, thích nghi với ngoại cảnh thay đổi,…

Cùng với việc ứng dụng các phương pháp số thực hiện tất cả các giai đoạn và thao tác được tiến hành trong quá trình định vị vô tuyến các đối tượng, rađa với mạng anten số biến thành hệ thống “mạng anten số + máy tính (DAR+MTS)”, tức

là về bản chất, trở nên một hệ thống máy tính số chuyên môn hoá thu thập và xử lý thông tin rađa Vì vậy, theo quan điểm hiện đại, xây dựng một hướng khoa học-kỹ thuật mới độc lập-“Rađa số”, tương tự như, “Liên lạc số”-một xu hướng đã được công nhận và phát triển mạnh trong thời gian gần đây

1.1.1 Tình hình và triển vọng ứng dụng các phương pháp và thiết bị kỹ thuật số trong rađa

Trong lịch sử phát triển rađa có thể phân biệt một số giai đoạn liên quan chặt chẽ với quá trình phát triển và hoàn thiện toán máy tính và kỹ thuật tính Trong giai đoạn đầu phát triển (những năm 40-50 thế kỷ XX) rađa định vị sử dụng các hệ thống (đài) hoàn toàn tương tự mà vai trò tách và diễn giải thông tin rađa chủ yếu thuộc về trắc thủ làm việc với màn hiển thị Kỹ thuật tính trong giai đoạn này chỉ mới khai sinh và phát triển theo hướng xây dựng và hoàn thiện các máy tính điện tử vạn năng Thiết bị máy tính tương ứng còn đồ sộ và ít hiệu quả nên hầu như không tìm được ứng dụng trong xử lý tín hiệu và dữ liệu rađa trong thời gian thực Tuy nhiên, ngay trong giai đoạn này máy tính điện tử đã được dùng để dựng quỹ đạo các đối tượng được định vị, ban đầu là, trong chế độ bám bán tự động, và sau đó là để bám sát tự động

Giai đoạn thứ hai ứng dụng kỹ thuật tính trong rađa có quan hệ, thứ nhất là với sự xuất hiện rađa với anten mạng pha, thứ hai, là với sự phát triển và ứng dụng mạnh mẽ các thiết bị số chuyên dùng mang tên các bộ xử lý tín hiệu (XLTH) Tốc

độ cao và kích thước nhỏ của các bộ XLTH đã cho phép giải quyết vấn đề xử lý số tín hiệu trong thời gian thực nhờ vận dụng các phương pháp và thuật toán nhận được từ lý thuyết rađa thống kê

Những khả năng rộng mở xuất hiện trong nâng cao năng suất phương tiện tính đã thúc đẩy việc lập ra các phương pháp và thuật toán xử lý thông tin rađa mới, trong đó có loại định hướng chuyên thực hiện bằng các phương tiện kỹ thuật số Người ta cũng nhận ra rằng, nhiều bài toán xử lý thông tin rađa trong cách đặt vấn

đề truyền thống là chưa chuẩn, và các lời giải nhận được chỉ thoả mãn các điều kiện

ổn định và duy nhất trong các trường hợp riêng

Giai đoạn thứ ba ứng dụng các phương pháp và kỹ thuật tính số trong rađa bắt đầu cùng với quá trình chuyển dần sang rađa với DAR, trong đó các tín hiệu nhận được được số hoá trực tiếp tại đầu ra mỗi phần tử anten Sơ đồ cấu trúc phần

thu của rađa như vậy được dẫn trên hình 1.1.1 Trên hình tập hợp 2n+1 phần tử anten a -n ,…,a 0 ,…,a n có các giản đồ đẳng hướng tạo thành hệ thống các đầu cảm thụ tương tự biến đổi trường điện từ ở đầu vào mạng anten AP thành các tín hiệu vô tuyến ở tần số mang mà các môđun thu được hiệu chỉnh Các môđun này làm nhiệm

vụ khuếch đại, biến đổi tần số và lọc các tín hiệu vô tuyến trong mỗi kênh phần tử thu một cách độc lập Đối với các tham số mang tin của tín hiệu (biên độ, tần số, pha) kênh môđun thu là khâu tuyến tính Các tín hiệu ra môđun thu được biến đổi trực tiếp sang dạng số (ở trung tần) hoặc trong các kênh cầu phương dùng tách pha Các tín hiệu đã số hoá đi song song đến tổ hợp máy tính số (máy tính chuyên dụng)

và tại đây giải các bài toán xử lý thông tin nhận được nhờ hệ thống các đầu thu trong mạng anten

j

Θ

Hình 1.1.1 Sơ đồ cấu trúc phần thu rađa với mạng anten số

Rađa với DAR so với rađa mạng pha có các ưu thế sau:

- không có mất mát do các bộ quay pha;

- xuất hiện những khả năng vô tận trong ứng dụng các phương pháp số chuyên dụng xử lý các tín hiệu thu và dữ liệu rađa;

- xuất hiện khả năng tạo tập hợp các tia giản đồ hướng anten có điều khiển

Để thực hiện thành công các nhiệm vụ của rađa hiện đại thì rõ ràng là ưu điểm thứ ba mang tính quyết định Khi đó cơ sở sẽ là thực hiện tất cả các chức năng chủ yếu của rađa trong quá trình thu tín hiệu phản xạ hay bức xạ từ các đối tượng được định vị bằng phương pháp số: tạo giản đồ hướng mạng anten nhiều tia, điều khiển giản đồ hướng của AR, xử lý các tín hiệu thu và dữ liệu rađa, thích nghi với ngoại cảnh biến đổi,

Việc ứng dụng kỹ thuật máy tính số ở tất cả các giai đoạn thu thập và xử lý thông tin rađa, ngoài những ưu điểm nói trên liên quan đến các khả năng kỹ thuật (tính ổn định tham số, độ tin cậy và đơn giản trong hiệu chỉnh chương trình, ) còn đảm bảo mở rộng các chức năng và nâng cao đặc trưng chất lượng của rađa nhờ có:

- mở rộng nhiệm vụ và sử dụng những phương pháp, thuật toán hoàn hảo hơn dựa trên các thành tựu của toán máy tính và kỹ thuật tính thực nghiệm;

- ứng dụng các cấu trúc thích nghi đảm bảo giải quyết thành công những nhiệm vụ cơ bản của rađa trong điều kiện ngoại cảnh phức tạp biến đổi nhanh

Sơ đồ trên hình 1.1.1 kết hợp các kênh thu rađa cùng mạng anten với máy tính điện tử chuyên dụng về thực chất là sơ đồ chức năng một hệ thống thông tin-tính toán đặc biệt (HT4ĐB) dùng để giải tất cả các bài toán thu và xử lý thông tin rađa

Nói chung, HT4ĐB xử lý tín hiệu và dữ liệu rađa (thông tin rađa) là hệ thống tính toán thời gian thực gồm tập hợp các phương tiện tính và phần mềm đảm bảo chuyên dụng chứa hệ điều hành thời gian thực và được dùng để thực hiện lưu đồ phức hợp các hoạt động chức năng của hệ thống Lưu đồ phức hợp của hệ thống gồm thực hiện lấy mẫu và lượng tử hoá các tín hiệu thu, lọc không gian tín hiệu, lọc chặn nhiễu tiêu cực, tích luỹ tương can và không tương can tín hiệu, phát hiện, đánh giá toạ độ, nhận dạng và bám sát các đối tượng rađa và hàng loạt các thao tác khác

Kết quả tính được dẫn trong tài liệu [1, 2] cho thấy để thực hiện các thuật toán cơ bản xử lý tín hiệu cần tốc độ máy tính:

- xử lý không gian (bao gồm cả bù khử thích nghi nhiễu tích cực) Bi≥ 30MFLOPS (đơn vị: triệu phép tính/giây);

- xử lý thời gian (lọc phối hợp, MTI, phát hiện và đánh giá tham số tín hiệu)

Bi≥ 40 MFLOPS

Tương tự, để thực hiện các thuật toán xử lý dữ liệu rađa, bao gồm cả phát hiện và bám sát mục tiêu, điều khiển sục sạo và quy hoạch nguồn lực rađa cần tốc

độ máy tính tới Bi≥ 6,4 MFLOPS

Rõ ràng là với những yêu cầu cao như vậy đối với tốc độ các phương tiện tính trong khi phải thoả mãn một loạt các hạn chế (kỹ thuật và kinh tế) thì chỉ có thể đảm bảo bằng cách tiếp cận không thông thường đối với việc thuật toán hoá các nhiệm vụ và tổ chức kiến trúc các phương tiện tính cho hệ thống xử lý số thông tin trong các rađa đa chức năng trong tương lai dùng mạng anten Những hướng tiếp cận chính như vậy là:

1 Hoàn thiện các phương pháp và thuật toán xử lý số tín hiệu và dữ liệu Kết hợp hợp lý và sử dụng song song hoá đa dạng trong các thuật toán để giảm thời gian thực hiện cần thiết;

2 Hoàn thiện cơ sở linh kiện và kiến trúc các phương tiện tính chuyên dụng dùng để xử lý thông tin rađa;

3 Phân phối tối ưu các nhiệm vụ xử lý giữa thiết bị có điều khiển và các phương tiện tính điều khiển bằng chương trình;

4 Xây dựng và ứng dụng cách tiếp cận hệ thống thống nhất trong thiết kế tất

cả các bộ phận cấu thành hệ thống HT4ĐB kết nối rađa cùng mạng anten với máy tính xuất phát từ đặc điểm của các thuật toán tổng hợp (chung) và riêng xử lý thông tin và điều khiển có tính đến ảnh hưởng của môi trường

Cũng cần nhấn mạnh là trong rađa hiện đại các phương pháp và phương tiện

số được ứng dụng không chỉ trong việc giải quyết các nhiệm vụ xử lý thông tin Từ lâu đã có xu hướng ứng dụng các phương pháp số để tạo các tín hiệu thăm dò Kỹ thuật số cho phép điều khiển các bộ phát dao động tương đối đơn giản với biên độ

và điều chế tần số hay pha tuỳ ý, đảm bảo bù khử méo khi phát và thu tín hiệu phản

xạ Các phương pháp số được sử dụng thành công để giải các bài toán tạo và điều khiển giản đồ hướng anten mạng và hiệu chỉnh méo giản đồ

1.1.2 Mô hình toán hệ thống đo-tính toán “AR+MTS”

Tiếp theo, đối với hệ thống được xét sẽ dùng ký hiệu “AR+MTS” xác định nguồn thông tin là AR, còn MTS là tiểu hệ thống xử lý thông tin đó

Đặc trưng cho rađa là quá trình quan sát (đo) được biểu diễn bởi phương trình:

hay Y=∫ +

D

dx x x

a

1 ,

g )( -“các hàm thiết bị” (ma trận và toán tử tích phân tuyến tính), đặc trưng cho mô hỡnh (thiết bị) rađa như một máy đo;

T n

X X

(x ∈L D

u - trường quan sát cần khôi phục dựa vào các kết quả đo Y

Giải phương trình (1.1.1) (đối với (1.1.2) suy luận tương tự) là bài toán thuộc dạng đ.g.l bài toán ngược toán vật lý, khi dựa trên dữ liệu véctơ các giá trị đo được

Y phải xác định véctơ các tham số X không quan sát trực tiếp được Trong trường

hợp chung những bài toán như vậy thuộc lớp những bài toán không chỉnh (được đặt

ra không chuẩn) [3] Bài toán được gọi là không chuẩn theo Tikhônôv nếu không

biết trước là nghiệm X có tồn tại, có là duy nhất và có ổn định không, tức các biến

động vô cùng nhỏ dữ liệu đầu vào không dẫn đến những thay đổi đáng kể của nghiệm

Trong xử lý số thông tin rađa tính không chuẩn (phi chỉnh) của bài toán được giải có thể xuất hiện cả khi hạn chế số bit của tổ hợp tính số và khi làm tròn các kết quả tính toán trung gian

Để giải các bài toán phi chỉnh có các phương pháp giải gần đúng ổn định được gọi là các phương pháp chỉnh hoá [3] Chỉnh hoá theo Tikhônôv về thực chất

là bổ sung vào ma trận các sai số đo R ma trận αI , trong đó I –ma trận đơn vị, α

-tham số chỉnh hoá Như vậy, thay vỡ R đưa vào ma trận (R+αI) mà bằng cách lựa chọn α thích hợp ta có ma trận dương xác định Tham số αtrong trường hợp này cần phải thoả món điều kiện δ/ε(δ)≤α ≤α0(δ), trong đó δ là độ chính xác

thiết lập ma trận R; ε(δ),α0(δ)- các hàm nào đó giảm đến 0 khi δ →0

Như vậy, cách tiếp cận chung để nhận lời giải chỉnh hoá trong trường hợp này là làm thô hoá (có chủ ý) các kết quả đo Tuy nhiên, việc sử dụng phương pháp này một cách trực tiếp là không thể vỡ không có cách lựa chọn tham số chỉnh hoá

Khi thiết kế rađa về kỹ thuật người thiết kế không chỉ quan tâm đến tính ổn định của lời giải nhận được mà cũn quan tâm đến việc đạt được các chỉ tiêu chất lượng tương ứng, chủ yếu là khả năng phân biệt và độ chính xác tính các tham số được đánh giá Khi đó, trong trường hợp kinh điển vấn đề này được giải quyết bằng phương pháp hoàn thiện thiết bị rađa như một dụng cụ (máy đo) vật lý Điều này liên quan đến những chi phí vật chất đáng kể và có giới hạn do tiềm năng linh kiện

cơ sở

Còn một cách nâng cao khả năng máy đo không cần tới chi phí vật chất lớn

Đó là ứng dụng các phương pháp toán mới trong xử lý tín hiệu thu Đồng thời, trong nhiều trường hợp việc xử lý dữ liệu đo thuần tuý bằng toán có thể được lý giải như kết quả đo trên một máy đo giả định có các đặc trưng cao hơn giới hạn cho phép đối với các máy đo (vật lý) thực tế Biến đổi như vậy có tên là suy biến máy đo này sang máy đo khác và nhằm giảm ảnh hưởng do méo vì các sai lệch mô tả toán học máy đo A và nhiễu đến các kết quả đo

Bài toán suy biến đơn giản nhất được đặt ra như sau Cho các kết quả (vectơ)

đo Y bằng máy A đối với tham số quan sát X bị tác động của nhiễu ν :

ν

+

= AX

Y , (1.1.3) tức là các tín hiệu tại đầu vào và ra máy đo liên quan với nhau bởi phương trình Fredgolm loại 1 có lời giải không ổn định đối với các sai số dữ liệu

Viết biến đổi tuyến tính vectơ Y bởi ma trận B nào đó

ν

B BAX

với K – ma trận cho trước (máy đo)

Như vậy, kết quả xử lý toán đối với tín hiệu vào Y- tín hiệu BY- bằng tín hiệu ra máy đo K mà đầu vào được cấp tín hiệu X Tạp ra của máy Bν có trị trung bình bằng 0 và ma trận hiệp biến RB =M Bν 2

Trong bài toán suy biến trên đã chọn biến đổi tuyến tính B mà khi thoả mãn đẳng thức BA=K thì nó đảm bảo mức tạp nhỏ nhất Thuần tuý toán học, bài toán

được viết như sau:

{ B /BA=K}

minM ν 2

Tuy nhiên, mức tạp Bν trong (1.1.6) có thể trở nên lớn đến mức tín hiệu có

ích bị “che khuất” Có thể giảm tạp nếu từ bỏ đẳng thức BA = K trong bài toán suy

biến (1.1.6) Muốn vậy chọn ma trận B trong (1.1.6) sao cho máy đo BA càng gần với K càng tốt và, đồng thời, tạp ở đầu ra máy Bν được hạn chế bởi một giá trị nào

BAX

Vectơ BY trong (1.1.7) có thể xem là tín hiệu ra máy K bị méo do tạp Bν

và tín hiệu giả (BA-K)X

Từ (1.1.7) có thể chọn ma trận B sao cho cả tạp Bν lẫn tín hiệu giả

(BA-K)X là nhỏ nhất có thể Khi ấy cần giải bài toán hai chỉ tiêu tối ưu (bài toán Pareto)

1.1.3 Vấn đề hoàn thiện các phương pháp và thuật toán xử lý số tín hiệu

và dữ liệu rađa

Để giải các bài toán xử lý số thông tin trước tiên cần xây dựng và lập luận chứng các mô hình toán tương ứng cho tín hiệu vào cần xử lý và các phương pháp

xử lý chúng

Trong rađa có một số không lớn các mô hình toán tín hiệu thăm dò và tín hiệu cần xử lý Tất cả chúng đều là các hàm phức vô hướng hoặc vectơ tất định hoặc ngẫu nhiên theo không gian và thời gian và các dạng rời rạc của chúng Các

mô hình toán của nhiễu được biểu diễn như các quá trình ngẫu nhiên với hàm phân

bố biết hoặc không biết trước Về cơ bản các mô hình toán tín hiệu và nhiễu được lập và luận chứng trong lý thuyết rađa thống kê [4]

Số lượng các mô hình toán phương pháp, thiết bị (máy) xử lý tín hiệu và dữ liệu mang tính xử lý cơ bản cũng hạn chế

Trong số đó có:

- Lọc tuyến tính và phi tuyến các tín hiệu và nhiễu;

- Phân tích phổ tín hiệu;

- Tính tích chập và hàm tương quan;

- Các phép tính đại số tuyến tính (nhân ma trận và vectơ, tìm ma trận đảo, )

Các phép xử lý nói trên ở mức độ nào đó đều được dùng trong thực hiện các bài toán xử lý thông tin rađa như:

- Lọc không-thời gian tín hiệu;

- Phát hiện tối ưu một tín hiệu hay tập có trật tự các tín hiệu phản xạ từ mục tiêu (khi phát hiện quỹ đạo mục tiêu) trên nền nhiễu tự nhiên và nhân tạo;

- Ước lượng tham số tín hiệu rađa đơn (chùm) hay tập hợp các toạ độ và tham số chuyển động của các đối tượng được định vị

Dưới đây sẽ thảo luận vấn đề giải các bài toán trên trong xử lý số thông tin rađa

1.1.3.1 Những vấn đề lọc số, phát hiện tín hiệu và quỹ đạo

Các mô hình toán kinh điển cho những phép lọc tín hiệu rời rạc là phép tích chập và phân tích phổ được thực hiện trong miền thời gian hoặc tần số Để tính tích chập trong miền thời gian dùng các bộ lọc số có đáp ứng xung hữu hạn (BLS FIR) phối hợp với cấu trúc của tín hiệu được lọc

Thuật toán hoạt động của BLS phối hợp trong miền thời gian được viết là:

()

u(k-l) - mẫu tín hiệu;

d

s t

n=τ / - số mẫu (phần tử) rời rạc của tín hiệu mong đợi;

s

τ - độ rộng tín hiệu mong đợi;

t d - chu kỳ lấy mẫu tín hiệu;

k, l = 0, 1, 2,…,ns-1

Vấn đề chủ yếu trong ứng dụng các BLSPH trong miền thời gian là những yêu cầu rất cao đối với phương tiện tính về tốc độ và dung lượng bộ nhớ khi lọc phối hợp các tín hiệu phức tạp có đáy lớn B=∆f s.τs,∆f s- độ rộng phổ tín hiệu

Tốc độ cần thiết để thực hiện BLSPH có thể giảm nếu thực hiện thuật toán tính tích chập trong miền tần số dùng FFT hoặc các biến đổi trực giao nhanh khác (Wols-Adamar, Haar, ) [5]

Ứng dụng các thuật toán tính tích chập nhanh trong miền tần số cho phép thực hiện BLSPH tín hiệu với B≤256 bằng kỹ thuật vi xử lý hiện đại

Để thực hiện phép tính tích chập cơ sở thời gian gần đây đã có những bộ lọc được thiết kế trên cơ sở các biến đổi lý thuyết số đối với các dãy tín hiệu

Bài toán phát hiện tín hiệu trên nền nhiễu tự nhiên (nội tạp thiết bị, phản xạ

từ địa vật nền, ) và nhân tạo (nhiễu chủ ý) là một trong những nhiệm vụ chủ yếu trong rađa Lý thuyết hiện đại về phát hiện tối ưu tín hiệu dựa trên các phương pháp thống kê toán học và lý thuyết quyết định thống kê Các thuật toán tối ưu phát hiện tín hiệu theo chỉ tiêu được sử dụng rộng rãi Neiman-Pierson đều dẫn đến so sánh tín

hiệu thu U sn hay một thống kê tín hiệu nào đó St(U sn ) được hình thành trên cơ sở các

tín hiệu thu với ngưỡng C được xác định dựa vào các đặc trưng thống kê biết trước (được tính ra) của nhiễu 2

n

σ và xác suất báo động nhầm cho phép P F Quyết định về phát hiện được đưa ra khi bất đẳng thức sau được thoả mãn:

),()

F n

sn C P U

Tuy nhiên, các thuật toán phát hiện tối ưu kinh điển kém hiệu quả vì thiếu thông tin tiên nghiệm về các đặc trưng thống kê nhiễu Những phương pháp khác được dùng như biện pháp tình thế, trong đó có các phương pháp thích nghi đánh giá các đặc trưng thống kê nhiễu cũng kém hiệu quả vì việc xác định quy luật phân bố nhiễu trong mỗi trường hợp cụ thể theo dữ liệu thực nghiệm quan sát được là phức

tạp, ước lượng các tham số riêng rẽ, ví dụ - phương sai σˆn2, chỉ có cơ sở khi nhiễu

có phân bố Gauss là điều trong thực tế ít gặp

Nhiệm vụ hoàn thiện các thuật toán phát hiện trong trường hợp này là lập và khảo sát tỷ mỷ các bộ phát hiện số trơ, phi tham số v.v bền vững trước các biến đổi đặc trưng thống kê của nhiễu, các chỉ số chất lượng của những bộ phát hiện này khác biệt ít so với của các thuật toán tối ưu Nội dung vấn đề phát hiện quỹ đạo cũng không khác nhiều so với phát hiện tín hiệu

1.1.3.2 Những vấn đề đánh giá tham số tín hiệu và quỹ đạo

Các mô hình toán kinh điển cho quá trình đánh giá tham số tín hiệu và quá trình ngẫu nhiên đã được lập trong lý thuyết thống kê lọc tối ưu

Kết quả xử lý thông tin rađa cần sự đánh giá các tham số quỹ đạo những mục tiêu được bám sát biến đổi theo thời gian Vì vậy, nhiệm vụ lọc các kết quả quan sát rađa được đặt ra và giải quyết như một bài toán ước lượng liên tiếp các tham số quỹ đạo của những đối tượng được định vị

Chất lượng đánh giá tham số tín hiệu và quỹ đạo được đặc trưng bởi các sai

số quan sát và lọc Tổng sai số ước lượng tham số có thể được viết dưới dạng:

),()()(t ξD t ξn t

với ξD (t)- sai số động, tức sai số bám mục tiêu khi không nhiễu;

ξn(t)- sai số ngẫu nhiên do tác động của nhiễu và sai số đo

Bất luận thế nào hiệu quả hệ thống đều được nâng cao khi giảm các sai số cả ngẫu nhiên lẫn động nên mỗi đại lượng trong (1.1.11) là chỉ số chất lượng của hệ thống xử lý tương ứng

Thay vì xét hai có thể quy làm một chỉ số chất lượng:

),,(K1 K2f

với K 1 =ξD (t), K 2 = ξn (t), và giải bài toán hai chỉ tiêu tối thiểu hoá đồng

thời các sai số ngẫu nhiên và động Điều đó mở rộng đáng kể phạm vi các nghiệm

có thể nhờ lựa chọn phù hợp giá trị kỳ vọng toán và phương sai sai số tổng

Bài toán tối thiểu hoá đồng thời hai thành phần sai số có tên là bài toán Pareto, các đánh giá nhận được khi giải bài toán này được gọi là đánh giá tối ưu

Pareto Cách tiếp cận tối ưu Pareto để giải những bài toán lọc tham số đang được nghiên cứu sử dụng rộng rãi

Mô hình thuật toán lọc tham số quỹ đạo thường được dùng là các bộ lọc tuyến tính hồi quy (lọc Calman) với mức độ phức tạp khác nhau đảm bảo bám sát tin cậy các mục tiêu cơ động

Bài toán phát hiện sự cơ động và nhập các hiệu chỉnh tương ứng vào mô hình

quỹ đạo cơ sở của ma trận A phương trình (1.1.1) được gọi là bài toán kiểm soát độ

tin cậy mô hình tiên nghiệm Lời giải bài toán này là yếu tố quan trọng nhất của lý thuyết và kỹ thuật xử lý quỹ đạo, dữ liệu rađa và là đối tượng nghiên cứu tiếp theo

1.1.4 Những vấn đề nâng cao tốc độ phương tiện tính để xử lý số thông tin

Kiến trúc và thông số kỹ thuật các máy tính số là khâu liên kết giữa các chỉ

số hiệu quả xử lý số thông tin đạt được trên lý thuyết (trong các thuật toán) và trên thực tế

Các chỉ số hiệu quả phương tiện tính số là:

- Tốc độ giải được đánh giá bằng tốc độ tính (phép tính/s-FLOPS) hay hiệu suất – số bài toán giải được trong 1 đơn vị thời gian;

- Số phương tiện thiết bị chính và bổ trợ;

- Chi phí, kể cả năng lượng

Trong đó, dĩ nhiên chỉ số hiệu quả máy tính về tốc độ là cơ bản

Trong các hệ thống xử lý số thông tin do tính ứng dụng của các thuật toán

mà để thực hiện chúng người ta thường dùng các phương tiện tính chuyên dụng (các

bộ xử lý chuyên dụng) Tốc độ các bộ xử lý chuyên dụng có thể cao hơn các máy tính vạn năng khoảng 3 lần Tuy nhiên, thậm chí theo tính toán gần đúng, để xử lý

số các tín hiệu và ảnh phức tạp phải cần đến các bộ xử lý chuyên dụng có tốc độ nhanh gấp 2-3 bậc tốc độ đạt được hiện nay [6]

Một trong những hướng nâng cao tốc độ kỹ thuật tính là hoàn thiện linh kiện

cơ sở Trong khuôn khổ cơ sở linh kiện truyền thống hướng nâng cao tốc độ chủ yếu là tăng tốc độ của chính các vi mạch và hạ thấp tiêu hao cũng như giữ chậm tín hiệu trong đường truyền Theo số liệu được công bố [6] có thể kết luận là tần số

riêng của linh kiện bán dẫn rời rạc (IC trên tranzitor) bị hạn chế bởi giá trị chừng 1THz, còn giá trị giữ chậm thực của một van khoảng 10ps (tương đương f = 100GHz)

Tiếp tục nâng tốc độ linh kiện cơ sở rõ ràng là phải bằng cách chuyển từ các

hệ thống tạo và truyền tín hiệu điện tử sang quang (IC quang)

Một cách giải quyết thực tế nữa là thực hiện các thuật toán bằng các kênh song song Hệ thống xử lý trong trường hợp đó bao gồm một số nhất định các môđun thiết bị hoặc thiết bị-chương trình được kết nối nhờ hệ thống các đường truyền và các bộ nhớ tích luỹ trung gian

Các bus kết nối giữa các môđun nói chung phải đảm bảo khả năng cơ cấu lại tĩnh và động các tiểu hệ thống và hệ thống chung để có được tốc độ nhanh nhất khi giải các bài toán cụ thể

Những hệ thống tính có khả năng cơ cấu lại trong quá trình hoạt động và thích nghi với điều kiện công tác biến đổi được gọi là hệ thống thích nghi Thiết kế các hệ thống tính có kiến trúc thích nghi là hướng quan trọng trong hoàn thiện các phương tiện tính XLSTH và thông tin

Đối với các bài toán xử lý tín hiệu rađa và dữ liệu thì những phương pháp thích nghi kiến trúc hệ thống tính chủ yếu là:

- Cấu hình lại-bổ sung các bus liên lạc giữa các khối chức năng của hệ thống tính như bộ xử lý, bộ nhớ và thiết bị vào/ra-làm thay đổi cấu hình toàn bộ hệ thống

và cho phép thích ứng nó với các điều kiện công tác thay đổi;

- Thích nghi chuyển nối mạch-bổ sung các bus liên lạc ở mức các môđun chức năng lớn dùng làm cơ sở xây dựng hệ thống tính phân bố;

khối-Kết quả là xuất hiện khả năng phân bố động mọi tiềm năng thiết bị, chương trình và tăng số nhiệm vụ (bài toán) mà hệ thống có thể thực hiện

Tuy vậy, khi ứng dụng các máy tính số và hệ thống tính song song sẽ xuất hiện một số khó khăn mang tính phương pháp và kỹ thuật Thứ nhất là chưa có những phương thức và thuật toán ổn định và được xác lập để giải song song các bài toán, thứ hai là xuất hiện phức tạp trong điều khiển các bộ xử lý song song trong khi chính chúng hầu như loại trừ khả năng đảm bảo tổ chức lại các mối quan hệ một cách hiệu quả giữa chúng Ngoài ra, quy luật đ.g.l Emđal nói rằng cùng với việc

tăng số bộ xử lý song song thì tốc độ xử lý tăng chậm hơn so với quy luật tuyến tính

và càng chậm khi số đó càng tăng

Vì vậy, vấn đề đảm bảo tốc độ cần thiết cho hệ thống tính số không thể giải quyết chỉ bằng cấu trúc song song các thuật toán và bộ xử lý Rõ ràng là vấn đề này cần được giải quyết tổng hợp bằng nhiều biện pháp có thể đã được xét tới trong lý thuyết thuật toán và hệ thống tính

KẾT LUẬN:

Xây dựng lý thuyết và kỹ thuật ứng dụng các phương pháp số hình thành và điều khiển GĐHA các mạng anten phát và thu lọc số không gian các tín hiệu ra mạng anten, xử lý số thời gian-tần số các tín hiệu rađa tương can và không tương can đã dần trở nên phổ biến Xu hướng ứng dụng XLSTH vào các thành phần rađa tần số ngày càng cao đã trở thành hiện thực

Đồng thời, nghiên cứu tạo máy tính với kiến trúc thích nghi là một giai đoạn

mới trong phát triển các phương tiện tính cho xử lý số thông tin và điều khiển trong rađa

Trong khuôn khổ đề tài các chương tiếp theo của phần I sẽ đề cập đến:

- Thông tin tổng quan về các nghiên cứu ứng dụng XLSTH trong rađa (Chương 2);

- Khảo sát rađa 55Җ6 (chương 3);

- Thiết kế hệ thống thiết bị XLTH số từ trung tần ghép nối với rađa 55Җ6 (chương 4);

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG MỘT SỐ RAĐA MỚI

1.2.1 Hệ thống XLTH trong phương án rađa tầm trung (Ucraina) [7] 1.2.1.1 Xử lý sơ cấp thông tin rađa

Nguyên lý xây dựng

Xử lý sơ cấp thông tin rađa (XLSC) về kết cấu được kết hợp với các thiết bị thu tương tự số (TTS) Trong TTS việc biến đổi các tín hiệu sang dạng số được thực hiện ở trung tần Điều đó cho phép một phần các chức năng của máy thu tương tự (lọc phối hợp với xung phần tử tín hiệu điều tần tuyến tính (ĐTT), hình thành các thành phần cầu phương-tách pha cầu phương) thực hiện bằng các phương pháp xử

lý số trong thời gian thực So với lọc và tách pha tương tự truyền thống sau đó số hóa ở hình tần hai kênh cầu phương thì xử lý số cho phép:

1- Loại trừ ảnh hưởng của các yếu tố gây mất ổn định đối với độ chính xác biến đổi cầu phương;

2- Loại trừ ảnh hưởng của thành phần một chiều;

3- Đạt được các đặc trưng tối ưu và ổn định hơn cho bộ lọc phối hợp;

4- Nâng cao số bit hiệu quả, tức dải động của các thành phần cầu phương

Từ lối ra TTS các thành phần trực giao của mỗi kênh đến bộ lọc nén (BLNS) Việc sử dụng tín hiệu thăm dò phức tạp (ĐTT) trong điều kiện tác động của các loại nhiễu tiêu cực khác nhau đòi hỏi phải sử dụng các bộ lọc nén hiệu quả đảm bảo mức búp phụ nhỏ trong khi xung nén hẹp Trong BLNS này đã đảm bảo sự phân bố các búp phụ theo cự ly là đồng đều và đủ bằng phẳng Điều đó cho phép phát hiện các mục tiêu có diện tích phản xạ hiệu dụng (EPR) nhỏ trên nền nhiễu tiêu cực

Từ lối ra BLNS các thành phần cầu phương đến bộ tích lũy tương can mà trong mỗi phần tử cự ly thực hiện biến đổi Furiê nhanh (FFT) đối với mỗi chùm tín hiệu Kết quả là tại lối ra bộ tích lũy FFT nhận được thông tin về tín hiệu phản hồi trong các bộ lọc pha Đốple Khâu xử lý tương can tối ưu này cho phép trong các

thiết bị tiếp theo gồm ổn định xác suất báo động lầm (CFAR), lập bản đồ nhiễu (BĐN), phát hiện- tách mục tiêu với tốc độ hướng tâm bất kỳ trên nền nhiễu tiêu cực Điều quan trọng là các hàm trọng số đối với các bộ FFT với số ít điểm được chế tạo có mức búp phụ và mức “lọt” giữa các bộ lọc nhỏ

Các tín hiệu ra từ các bộ lọc Đốple không chồng lấn nhau đối với mỗi cặp tín hiệu K0, K1; K0, K2; K0, K3 đến bộ tính hệ số tương quan để đảm bảo họat động cho bộ bù khử số nhiễu tạp tích cực (BKN) Từ các cặp hệ số tương quan nhận được chọn ra hệ số lớn nhất và so sánh với ngưỡng Sau đó tính hệ số bù khử cho bộ lọc

có hệ số tương quan lớn nhất Trong bộ BKN tiến hành bù khử nhiễu tích cực trong kênh chính đối với mỗi phần tử cự ly nhờ dùng hệ số tương quan tính được với kênh có giá trị hệ số tương quan lớn nhất

Sau BKN thực hiện tính môđun tín hiệu về từ lối ra mỗi bộ lọc đối với mỗi phần tử cự ly Thông tin này được cấp đến lối vào bộ phát hiện (thiết bị tích lũy không tương can-phát hiện tự động)

Bộ phát hiện ra quyết định về kênh có mục tiêu, sau đó cung cấp số liệu để tính tọa độ mục tiêu đó

Trong bộ phát hiện thực hiện ổn định xác suất báo động lầm theo năng lượng (CFARE) - trong đó tự động xác định ngưỡng theo dõi đối với mỗi phần tử cự ly tùy thuộc vào đánh giá mức nhiễu trong các phần tử cự ly kề cận nhau so với phần tử đang được xét Điều này đảm bảo chế áp nhiễu kéo dài (trải dài)

Trong bộ ổn định xác suất báo động lầm theo tốc độ (CFARV) các tần số Đốple (tốc độ hướng tâm) của các tín hiệu được phân tích được so sánh với ngưỡng Khi ấy, đồng thời phân tích thông tin tất cả các bộ lọc trong mỗi phần tử cự ly đối với một số chùm tần số CFARV đảm bảo chế áp các phản xạ từ địa vật, các tích tụ khí tượng, các tín hiệu kiểu “thiên thần”, nhiễu tiêu cực có tổ chức và cho phép thiết lập các vùng lọc chặn nhiễu tiêu cực

Bản đồ nhiễu địa vật (BĐN) được hình thành chỉ trên cơ sở thông tin của bộ lọc không và cho phép phát hiện các mục tiêu chuyển động với tốc độ hướng tâm gần không (tức là bay tiếp tuyến so với rađa) đảm bảo xác suất phát hiện cao đối với những mục tiêu như vậy

Các chỉ tiêu phát hiện được sử dụng trọng bộ phát hiện đảm bảo sự tích lũy không tương can tín hiệu một số chùm

Trong bộ xác định tọa độ (OK) trên cơ sở thông tin về các bộ lọc có sự vượt mức ngưỡng hình thành thông tin về số hiệu bộ lọc có biên độ lớn nhất, giá trị biên

độ cực đại và biên độ các tín hiệu trong các phần tử cự ly kề cận của bộ lọc đó Trên

cơ sở thông tin đó tính các tọa độ mục tiêu

Trên cơ sở phân tích số hiệu các bộ lọc có sự vượt ngưỡng và biên độ tín hiệu của các bộ lọc trong mỗi chùm tần số mà tính được tốc độ hướng tâm của các mục tiêu được phát hiện

Từ lối ra thiết bị XLSC cấp sang thiết bị xử lý dữ liệu rađa đối với những dấu được phát hiện thông tin về cự ly và biên độ tín hiệu lớn nhất trong bộ lọc để RDP

sử dụng và xác định thông tin quỹ đạo nhằm xây dựng cơ sở dữ liệu để nhận biết mục tiêu

Việc xác định hướng các máy gây nhiễu tạp tích cực được thực hiện trong bộ XLSC bằng cách phân tích mức và thời gian tồn tại tín hiệu trong các bộ lọc Đốple

ở vùng giá trị vận tốc hướng tâm không dưới 300Km/h Trong các bộ lọc đó không thể có tín hiệu phản xạ từ các tích tụ khí tượng thậm chí trong những điều kiện thời tiết phức tạp Như vậy, trong trường hợp nếu tín hiệu trong các bộ lọc Đốple tương ứng của kênh chính và các kênh phụ vượt một mức nào đó và có thời gian tồn tại đủ lớn và khi trong kênh chính lớn hơn tín hiệu trong các kênh phụ thì trong thiết bị bù khử nhiễu tạp tích cực hình thành ra dấu hiệu định phương Theo dấu hiệu đó trong thiết bị tính tọa độ bằng phương pháp xử lý trọng số tính được phương vị chính xác đến máy gây nhiễu tạp tích cực

- Tích lũy tương can tín hiệu (bằng FFT);

- Bù khử nhiễu tạp tích cực tác động qua các cánh sóng bên GĐHA;

- Ổn định xác suất báo động nhầm (CFAR);

- Phát hiện tín hiệu phản xạ từ các đối tượng trên không trên nền nhiễu ;

- Chọn lọc các dấu được phát hiện theo tốc độ hướng tâm, chống nhiễu có tổ chức và nhiễu tự nhiên;