Ứng dụng công nghệ SDR cho bộ thu GPS

Nhưng hầu hết các công nghệ đó đã được phát triển cho mục đích chiến tranh như tên lửa định hướng, tìm kiếm mục tiêu quân sự và quân đội, …Thông qua một hệ thống vệ tinh, một máy thu GNS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

văn

NGUYỄN CHUNG NGHĨA

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SDR CHO BỘ THU GPS

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HỮU TRUNG

HÀ NỘI - Năm 2010

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận Văn Thạc sỹ Khoa học này là do tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Hữu Trung và TS Nguyễn Thúy Anh Các kết quả tham khảo từ các nguồn tài liệu cũng như các công trình nghiên cứu khoa học khác được trích dẫn đầy đủ Nếu có gì sai phạm về bản quyền (trích dẫn thiếu hoặc sai), tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường

Hà Nội, tháng 10 năm 2010

Nguyễn Chung Nghĩa

LỜI NÓI ĐẦU

Tốc độ tiến bộ cực nhanh của công nghệ ngày hôm nay làm cho các thiết bị thông tin trở nên lỗi thời ngay sau khi chúng được sản xuất Để theo kịp với tốc độ này, hệ thống thông tin liên lạc phải được thiết kế để tối đa hóa, minh bạch với công nghệ mới tại hầu như mọi giai đoạn trên vòng đời của chúng Khi các công nghệ này mới được chèn vào, các thiết bị đã được nâng cấp nên vẫn còn có thể giao tiếp với nhau và với các hệ thống kế thừa Nhưng ngay sau đó thì các thiết bị không còn theo kịp với công nghệ mới

Thuật ngữ SDR (software defined radio) được đặt ra vào năm 1990 để khắc phục những vấn đề này Mục tiêu của em là nghiên cứu ứng dụng công nghệ SDR cho bộ thu GPS

Do khả năng hiểu biết còn hạn chế nên trong quá trình nghiên cứu, thiết kế không thể tránh khỏi những sai sót, những yếu kém Vì vậy, em rất mong được sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các thầy cô và bạn bè để em có thể hoàn thiện hơn nữa

đề tài này

Trong quá trình thực hiện đồ án này, em cũng đã nhận được sự chỉ bảo rất tận tình, quý báu của thầy giáo TS Nguyễn Hữu Trung và cô giáo TS Nguyễn Thúy Anh Thầy cô đã bỏ ra rất nhiều thời gian để giúp em hoàn thiện quyển đồ án này Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô rất nhiều

Hà Nội, tháng 10 năm 2010 Học Viên:

Nguyễn Chung Nghĩa

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Nội dung chính của đồ án này là tập trung đi sâu nghiên cứu ứng dụng công nghệ SDR cho bộ thu GPS Mô phỏng công nghệ SDR cho bộ thu GPS Công nghệ được thiết kế mô phỏng có khả năng hoạt động :

• Có khả năng định vị và điều khiển thông qua các tập lệnh

• Có khả năng xử lý tín hiệu yếu và tích hợp đa cảm biến

ABSTRACT

Main content of this project is to focus in depth research and application of SDR technology for GPS SDR technology to simulate the GPS receiver The technology is designed simulation is capable of operation:

• Activities stable position

• Ability to locate and control over the script

• Able to handle weak signals and multi-sensor integration

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 0

LỜI NÓI ĐẦU 2

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 3

ABSTRACT 4

PHẦN MỞ ĐẦU 16

Chương 1:Giới thiệu chung 19

1.1 Định nghĩa 20

1.2 Mục tiêu 21

Chương 2 :Tổng quan về công nghệ SDR 22

2.1 Định nghĩa SDR 22

2.2 Kiến trúc SDR tổng quát 23

2.3 Lịch sử ra đời 25

2.4 Ưu nhược điểm 25

2.4.1 Ưu điểm vượt trội của hệ thống SDR 25

2.4.2 Những hạn chế hiện nay khi triển khai giải pháp SDR 26

Chương 3 :Phân tích bộ thu định vị toàn cầu GPS 28

3.1 Tổng quan về hệ thống GPS 28

3.1.1 Phân hệ không gian 29

3.1.1.1 Chùm sao vệ tinh 29

3.1.1.2 Vệ tinh GPS 29

3.1.2 Phân hệ điều khiển 30

3.1.3 Phân hệ sử dụng 31

3.2 Cấu trúc tín hiệu GPS 32

3.2.1 Các tín hiệu và dữ liệu 32

3.2.2 Lược đồ tín hiệu GPS 32

3.2.3.1 Chuỗi Gold 35

3.2.3.2 Tạo chuỗi Gold 37

3.2.3.3 Các đặc tính tương quan 44

3.2.4 Dịch tần Doppler 46

3.2.5 Bản tin định vị 46

3.2.5.1 Định dạng bản tin 46

3.2.5.2 Các trường TLM và HOW 49

3.2.5.3 Dữ liệu trong bản tin định vị 50

3.3 Kiến trúc chung của bộ thu GPS 51

3.3.1 Anten và tiếp đầu ngoại vi 52

Chương 4 :57Ứng dụng công nghệ SDR cho bộ thu GPS 57

4.1 Phần mềm Radio Xác định là gì? 57

2 Phân tích mã nguồn của GPS-SDR 58

4.2.1 Cấu trúc chương trình 58

4.2.2 Phân tích mã nguồn 63

4.2.3 Đối tượng luồng 68

4.3 Tính toán vị trí trong GPS-SDR 77

4.3.1 Vị trí vệ tinh 77

Chương 5: Mô phỏng bộ tạo tín hiệu GPS 82

5.1 Mô phỏng bộ tạo tín hiệu GPS 82

5.1.1 Bộ tạo mã C/A 82

5.1.1.1 Bộ tạo mã C/A không có trễ 82

5.1.1.2 Bộ tạo mã C/A có trễ 83

5.1.1.3 Đặc tính tương quan của mã C/A 84

5.1.2 Bộ mô phỏng tín hiệu GPS 85

5.1.2.1 Triển khai mức thấp 87

5.1.2.2 Triển khai mức cao 91

5.2 Mô phỏng thuật toán xử lý dữ liệu của bản tin định vị 91

5.2.1 Các phép toán dùng trong mô phỏng 91

5.2.1.1 Tính toán vị trí máy thu 92

5.2.1.2 Tính toán các sai số 94

5.2.2 Thuật toán và các hàm mô phỏng 97

5.2.2.1 Sơ đồ thuật toán 97

5.2.2.2 Các hàm dùng trong mô phỏng 98

5.2.3 Kết quả mô phỏng 109

Chương 6 :Hướng phát triển trong tương lai 111

Kết luận 113

Tài liệu tham khảo 114

DANH MUC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Kiến trúc SDR tổng quát 23

Hình 2.2 Phổ di động sử dụng ở châu Âu ( theo nguồn Jondral, 1999) 27

Hình 3.1 Chùm sao vệ tinh 29

Hình 3.2 Vệ tinh NAVSTAR 30

Hình 3.3 Phân hệ điều khiển .31

Hình 3.4 Sơ đồ khối bộ tạo tín hiệu GPS 33

Hình 3.5 Cấu trúc tín hiệu L1 .34

Hình 3.6 Điều chế BPSK trong tín hiệu GPS .35

Hình 3.7 Đồ thị cột của một ACF cho một chuỗi Gold .37

Hình 3.8 Bộ tạo mã C/A 38

Hình 3.9 Đặc tính tương quan của các mã C/A .45

Hình 3.10 Cấu trúc dữ liệu định vị trong GPS 48

Hình 3.11 Định dạng của hai từ TLM và HOW .49

Hình 3.12 Sơ đồ kiến trúc bộ thu GPS truyền thống và bộ thu phần mềm 52

Hình 3.13 Tiếp đầu ngoại vi trong bộ thu GPS 53

Hình 4.1: GPS-SDR Pipes Schedule 62

Hình 4.2: Cấu trúc thư mục GPS-SDR 63

Hình 4.3: Nội dung của thư mục chính 64

Hình 5.1 Sơ đồ mô phỏng bộ tạo mã C/A không có trễ 83

Hình 5.2 Sơ đồ mô phỏng bộ tạo mã C/A có trễ 84

Hình 5.3 Tương quan chéo giữa hai mã C/A thứ nhất và thứ hai và tự tương quan của mã C/A thứ nhất .85

Hình 5.4 Bộ mô phỏng tín hiệu GPS hoàn chỉnh cho một vệ tinh 88

Hình 5.5 Bộ mô phỏng tín hiệu GPS được triển khai trong Simulink 91

Hình 5.6 Sơ đồ thuật toán của phương pháp lặp trong định vị GPS 98

Hình 5.7 Vị trí vệ tinh và máy thu GPS 110

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Ấn định pha mã C/A 42

Bảng 5.1 Danh sách các hàm dùng trong mô phỏng 99

Bảng 5.2 Các tham số đầu vào của mô hình lịch thiên văn .101

Bảng 5.3 Các tham số đầu ra của mô hình lịch thiên văn 102

Bảng 5.4 Các tham số đầu vào của mô hình tầng điện li 104

Bảng 5.5 Các tham số đầu ra của mô hình tầng điện li 104

Bảng 5.6 Các tham số đầu vào của mô hình tầng đối lưu 105

Bảng 5.7 Các tham số đầu ra của mô hình tầng đối lưu .106

Bảng 5.8 Các tham số đầu vào của mô hình sai số độ lệch .107

Bảng 5.9 Các tham số đầu ra của mô hình sai số độ lệch .107

Bảng 5.10 Các tham số đầu vào của mô hình sai số tương đối .108

Bảng 5.11 Các tham số đầu ra của mô hình sai số tương đối .109

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Circuit

Mạch tích hợp chuyên dụng

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

FLL Frequency Lock Loop Vòng khóa tần

Suy giảm độ chính xác theo địa lý

17 bit của TOW

and Reference Systems Service

Dịch vụ Quốc tế về sự quay của trái đất

LFSR Linear Feedback Shift Register Thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính

LHCP Left Hand Circular Polarization Phân cực tròn về bên trái

Oscillator

Bộ tạo dao động được điều khiển bằng số

Polarization

Phân cực tròn về bên phải

định nghĩa bằng phần mềm

được sử dụng để đồng bộ các bản tin định vị

đầu tại nửa đêm giữa thứ bẩy và chủ nhật

bề mặt trái đất

VCO Voltage Controlled Oscillator Bộ tạo dao động được điều khiển

bằng điện áp

PHẦN MỞ ĐẦU

Trong thập kỷ qua, lĩnh vực sóng vô tuyến được xác định bằng phần mềm (SDR's) đã có kinh nghiệm phát triển nhanh chóng SDR được nghiên cứu và nỗ lực phát triển tiếp tục sinh sôi nảy nở và có kết quả trong một số sản phẩm mà bây giờ

đã có trên thị trường mở Trong khi kết quả được công bố chắc chắn thường xuyên hơn và với số lượng lớn hơn, thì chi tiết thiết kế của các hệ thống cụ thể thường không được công bố Ngay cả mặc dù nhiều người hỗ trợ sự phát triển của một SDR-kiến trúc mở, SDR là lĩnh vực cạnh tranh và nhiều tổ chức xem xét các chi tiết

về thiết kế của họ được độc quyền Ngoài ra, kể từ khi SDR đại diện cho một khởi hành thiết kế vô tuyến truyền thống có một số Mystique về những gì của SDR là, làm thế nào chúng được thiết kế, cách chúng hoạt động, và làm thế nào hiệu suất được xác định hoặc xác minh Trong báo cáo này chúng ta tìm kiếm để cung cấp cái nhìn sâu sắc vào một số trong những khía cạnh của SDR bằng cách trình bày một ví

dụ chi tiết của một thiết kế nhận SDR cùng với một bộ thực hiện các phép đo ở các giai đoạn khác nhau của bộ thu GPS

GPS (Global Positioning System) được phát minh bởi quân đội Mỹ ở những năm 70 Nhưng hầu hết các công nghệ đó đã được phát triển cho mục đích chiến tranh như tên lửa định hướng, tìm kiếm mục tiêu quân sự và quân đội, …Thông qua một hệ thống vệ tinh, một máy thu GNSS có thể thiết lập vị trí của nó trong bốn thông số (kinh độ, vĩ độ, độ cao và thời gian) Điều này đã gây ra sự xuất hiện của rất nhiều các ứng dụng dân sự và quân sự

Trong những năm gần đây, có một xu hướng rõ ràng là đã nổi lên trong việc thiết kế bộ thu GNSS: các quá trình Digi-tization (thực hiện bởi một bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số, ADC) được đặt gần ăng-ten thu, tạo ra hệ thống làm việc

mềm xác định sóng vô tuyến (SDR), sản phẩm này cố gắng thay thế hầu hết các thành phần phần cứng truyền thống và kết thúc bằng các lệnh được định nghĩa bằng phần mềm chạy trên thiết bị lập trình Điều này cho phép khai thác kỹ thuật xử lý tín hiệu số mạnh mẽ, do đó cung cấp một mức độ cao về tính cấu hình lại được tín hiệu, linh hoạt và vững mạnh Nó còn là một nền tảng chính cho nghiên cứu, miễn

nó là một công cụ có tính giao tiếp nhanh để đánh giá hiệu suất tổng thể hệ thống khi một module hoặc chức năng nào đó được thay đổi hoặc bổ sung

Việc áp dụng kỹ thuật SDR là một bước tiến triển trong sự phát triển của bộ thu GNSS hiện đại Phần mềm radio thực hiện tất cả các quá trình xử lý tín hiệu kỹ thuật số thông qua một bộ vi xử lý chuyên nghiệp như FPGA, DSP hoặc thậm chí là máy tính, như trái ngược với cách sử dụng một ứng dụng vi mạch cụ thể (ASIC) Điều này chia tín hiệu tương tự trong phần cứng từ bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số trong phần mềm ra và kết quả là lợi thế đáng kể, chẳng hạn như chuyển đổi tín hiệu mềm để hiện đại hóa (đặc biệt quan trọng trong trường hợp của GNSS, mà trong tương lai gần sẽ có một số tín hiệu bổ sung có thể được sử dụng để định vị, dẫn đường, và tính toán thời gian), nhu cầu về xử lý tín hiệu yếu (chuyển hướng trong nhà), đa phương thức hoạt động, và tích hợp đa cảm biến Người sử dụng các bộ thu phần mềm sẽ chỉ cần một phần mềm nâng cấp để cho phép sự bao gồm các xử lý tín hiệu mới

Qua những hiểu biết thực tế như vậy, em đã tìm hiểu và nghiên cứu ứng dụng công nghệ SDR cho bộ thu GPS Trong khuôn khổ đồ án này em tập trung nghiên cứu về công nghệ SDR, bộ thu GPS, ứng dụng công nghệ SDR vào bộ thu GPS sao cho phù hợp với thực tiễn và năng lực của bản thân Nội dung của đồ án này gồm 6 chương :

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương 2: Tổng quan về công nghệ SDR

Chương 3: Phân tích bộ thu định vị toàn cầu GPS

Chương 4: Ứng dụng công nghệ SDR vào bộ thu định vị toàn cầu GPS Chương 5: Trình bày mô phỏng hệ thống nghiên cứu

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đồ án trong tương lai

Chương 1:

Giới thiệu chung

Thuật ngữ phần mềm vô tuyến định nghĩa dùng để chỉ một chương trình có thể cấu hình lại hoặc lập trình lại, có thể hiển thị các chức năng khác nhau với cùng một phần cứng Bởi vì các chức năng được xác định trong phần mềm, một công nghệ mới có thể dễ dàng được thực hiện tại một hệ thống vô tuyến phần mềm với một phần mềm đã được nâng cấp Luận án này tìm hiểu việc thực hiện một phần mềm định nghĩa sóng vô tuyến

Ngày nay liên tục thay đổi công nghệ mang lại sự cần thiết phải xây dựng

"tương lai bằng chứng" sóng vô tuyến Nếu các chức năng mà trước đây được thực hiện bởi phần cứng thì hiện nay cần phải có thể được thực hiện bằng phần mềm, chức năng mới có thể được triển khai trên một sóng vô tuyến bằng cách cập nhật các phần mềm chạy trên nó Tăng tỷ lệ đường truyền, nhưng giảm số lượng của quang phổ nên đòi hỏi phức tạp hơn các thuật toán xử lý tín hiệu được triển khai trên sóng vô tuyến Sự gia tăng của biến-QoS, đa thành phần lưu lượng, yêu cầu quản lý phức tạp của các tài nguyên được phân bổ trong hoạt động của một kết nối người dùng Do đó cần phải triển khai một sự đa dạng của tiêu chuẩn trong một thiết bị duy nhất

Trong một phần mềm vô tuyến điện quy định, nhiều dạng sóng có thể được thực hiện trong phần mềm, sử dụng cùng một phần cứng Một phần mềm phát thanh được xác định có thể giao tiếp với nhiều sóng vô tuyến khác nhau, với một sự thay đổi duy nhất trong số phần mềm Điều này có nghĩa khả năng tương tác giữa các đơn vị quân đội khác nhau, các đơn vị khẩn cấp, và quân đội liên minh công nghệ mới có thể được thích nghi một cách nhanh chóng, dễ dàng, và cho một chi phí thấp hơn nhiều Để xây dựng đài phát thanh rằng có thể hỗ trợ các hoạt động trong nhiều

lĩnh vực mà không làm mất khả năng giao tiếp với nhau, một mở, kiến trúc tiêu chuẩn phải được xác định Bằng cách xây dựng dựa trên một, thường được xác định

rõ kiến trúc mở, nhà cung cấp vô tuyến có thể cải thiện khả năng tương tác bằng cách cung cấp khả năng chia sẻ phần mềm dạng sóng từ sóng vô tuyến, và giảm thời gian phát triển thông qua việc tái sử dụng phần mềm Một cấu trúc mở cũng sẽ tạo thuận lợi cho khả năng mở rộng và đưa vào công nghệ

1.1 Định nghĩa

Phần này cung cấp một giới thiệu ngắn gọn cho các thuật ngữ chính được sử dụng trong văn bản Một phần mềm định nghĩa sóng vô tuyến (SDR) là một đài phát thanh có thể cấu hình lại, trong đó các chức năng được xác định trong phần mềm Trong mỗi SDR, cùng một phần cứng có thể được sử dụng để thực hiện các chức năng khác nhau tại những thời điểm khác nhau SDR này cung cấp một cấu trúc vô tuyến linh hoạt cho phép thay đổi đặc tính sóng vô tuyến trong thời gian thực

Phần mềm truyền thông kiến trúc (SCA) là một kiến trúc mở được xác định bởi công ty hệ thống chiến thuật sóng vô tuyến (JTRS), công ty văn phòng chương trình (JPO) Các SCA đã được xuất bản để cung cấp một kiến trúc mở có thể được

sử dụng để xây dựng một gia đình của sóng vô tuyến trên nhiều tên miền Các đài được xây dựng trên SCA được tương thích, có thể sử dụng một loạt các tần số, và cho phép đưa vào công nghệ SCA cũng hỗ trợ sử dụng lại phần mềm Các SCA được sử dụng như các kiến trúc cơ bản trong việc thực hiện phát thanh

Yêu cầu đối tượng môi giới chung (CORBA) là một trung gian được định nghĩa bởi Object Management Group (OMG) Nó cung cấp cơ sở hạ tầng cho các ứng dụng máy tính phát triển trong các ngôn ngữ khác nhau và chạy trên các nền tảng khác nhau để làm việc với nhau qua mạng Các đối tượng trong các ứng dụng CORBA được định nghĩa là giao diện, bằng cách sử dụng của OMG ngôn ngữ định

nghĩa giao diện (IDL) Các SCA sử dụng CORBA là bus giao tiếp phần mềm của

nó, và xác định thành phần của nó bằng cách sử dụng IDL

Các Model Driven Architecture (MDA) là một đặc điểm kỹ thuật OMG phân cách logic cơ bản đằng sau một đặc điểm kỹ thuật từ các chi tiết cụ thể mà thực hiện

nó MDA hứa hẹn sẽ đưa lợi ích đang nổi lên nhanh chóng của công nghệ này vào

hệ thống hiện có bằng cách cung cấp một khung vững chắc, công việc giải phóng hệ thống cơ sở hạ tầng để phát triển để đáp ứng với nền tảng mới trong khi bảo quản đầu tư công nghệ hiện có Một đặc điểm kỹ thuật đầy đủ MDA bao gồm một mô hình dứt khoát nền tảng độc lập (PIM), cộng với một hoặc nhiều nền tảng mô hình

cụ thể (PSM) và bộ định nghĩa giao diện, mỗi mô tả làm thế nào mô hình cơ sở được thực hiện trên một nền tảng trung gian khác nhau Một PIM cho các SCA hiện đang được phát triển bởi các phần mềm OMG Radio (SWRADIO) Domain Special Interest Group (DSIG)

1.2 Mục tiêu

Em có những đóng góp sau đây trong luận văn này:

• Phân tích cấu trúc và chức năng công nghệ SDR

• Giới thiệu tổng quan, cấu trúc tín hiệu và kiến trúc chung của bộ thu GPS

• Giới thiệu hệ thống SDR phần mềm, cấu trúc chương trình trong hệ thống SDR phần mềm

• Mô phỏng bộ tạo tín hiệu GPS

• Đề nghị hướng phát triển trong tương lai

Chương 2 :

Tổng quan về công nghệ SDR

Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, nhu cầu thông tin liên lạc của con người ngày càng trở nên đa dạng, đồng thời nó đòi hỏi các thiết bị vô tuyến vừa phải hiệu quả về mặt kinh tế, vừa phải dễ dàng sử dụng và nhất là cần đáp ứng yêu cầu hội tụ mạng Kỹ thuật SDR chính là câu trả lời hoàn hảo nhất cho vấn đề này Chương này sẽ giới thiệu những vấn đề chung nhất để có được cái nhìn tổng quát về SDR

Tạm dịch là: “SDR là một hệ thống vô tuyến mà trong đó một số hoặc tất cả các

chức năng lớp vật lý được định nghĩa mềm”

Kĩ thuật SDR mang đến một giải pháp tương đối rẻ và hiệu quả, cho phép hỗ trợ các thiết bị không dây đa mode, đa băng và/hoặc đa chức năng mà có thể được nâng cấp nhờ sử dụng phần mềm

hoặc tất cả các chức năng hoạt động của hệ thống vô tuyến được triển khai thông qua các phần mềm/ phần cứng có khả năng điều chỉnh hoạt động trên các kĩ thuật

xử lí khả trình Những thiết bị này bao gồm FPGA (Field Programmable Gate

Array), DSP (Digital Signal Processor), GPP (General Purpose Processor), SoC

(Progammable System on Chip) hay các bộ xử lí khả trình khác Việc sử dụng

những công nghệ này cho phép các đặc tính wireless mới được thêm vào các hệ thống vô tuyến đang tồn tại mà không cần đòi hỏi phần cứng mới

2.2 Kiến trúc SDR tổng quát

trúc tổng quát như sau [2]:

- RF/IF: Là nơi diễn ra quá trình xử lí tín hiệu tương tự cần thiết Các bộ tiền chọn

lọc giới hạn năng lượng đầu vào tới các tần số mong muốn Các bộ giảm “co-site mitigator” sẽ hồi tiếp các tín hiệu nhiễu nội đã biết được đảo ngược để triệt tiêu chúng Một bộ dao động nội giảm tín hiệu xuống trung tần Các thành phần dung kháng và cảm kháng cần thiết cho trong bước này sẽ làm tăng chi phí, tạo ra tạp âm trong tín hiệu và làm giảm tính linh động của trang thiết bị Điều này cần được giảm xuống càng nhiều càng tốt

- Modem: Sự chuyển đổi tương tự-số được thực hiện ở đầu ra hoặc đầu vào của bộ

phận RF/IF Đây là nơi đây bắt đầu quá trình xử lí tín hiệu số để tách tín hiệu mong muốn ra khỏi tín hiệu gốc đã được số hóa Các tín hiệu không mong muốn sẽ bị loại

bỏ và các bit băng cơ sở sẽ được giải điều chế

- Bộ xử lí liên kết: có chức năng kiểm soát và điều khiển các hoạt động nhằm tăng

cường liên kết dựa trên thông tin điều khiển và dữ liệu từ modem Đây là nơi xử lí các thông số đo cường độ tín hiệu, điều khiển công suất, nhu cầu hay khả năng

chuyển giao, nhảy tần, điều khiển ănten và dữ liệu thời gian đến (TOA- Time of

Arrival)

- Bảo mật: Nếu hệ thống có thực hiện mã hóa mã mật thì giải mã mật cũng được

thực hiện ở đây Bất kì thông tin nào trong hệ thống cần được bảo vệ vì các mục đích an ninh thì cũng được xử lí trong module này

- Vào/ra và xử lí cuộc gọi/tin nhắn: Phân phối lưu lượng tới phần còn lại của hệ

thống Việc chuyển đổi tốc độ từ một cơ chế mã hóa tiếng nói sang một dạng khác được thực hiện tại khối chức năng này Vào/ra và xử lí cuộc gọi/tin nhắn cung cấp truy nhập tới các mạng khác và các giao thức khác nhau tùy theo dạng ứng dụng đã được thiết kế cho phiên làm việc cụ thể

Với quá trình phát, luồng dữ liệu chảy theo chiều ngược lại, từ phải sang trái

Sự khác nhau cơ bản giữa phát và thu là sự xuất hiện các bộ khuếch đại công suất trong bộ phận RF/IF để chạy ănten ở phía phát

2.3 Lịch sử ra đời

Thuật ngữ SDR được đưa ra năm 1991 bởi Joseph Mitola [3], người đã xuất bản bài báo đầu tiên về chủ đề này năm 1992 Mặc dù vậy, những hệ thống SDR đã được bắt nguồn từ lĩnh vực quốc phòng từ cuối những năm 1970 ở cả Mỹ và châu

Âu Hệ thống vô tuyến phần mềm đầu tiên là một dự án của quân đội Mỹ mang tên SpeakEasy Mục đích căn bản của dự án này là sử dụng việc xử lí khả trình để mô phỏng hơn 10 hệ thống vô tuyến quân đội đang tồn tại, hoạt động trong các băng tần

từ 2 đến 2000MHz Hơn thế nữa, mục đích thiết kế khác là để có thể kết hợp một cách dễ dàng với các chuẩn mã hóa và điều chế mới trong tương lai, do đó thông tin liên lạc trong quân đội có thể bắt kịp với các tiến bộ trong các công nghệ mã hóa và điều chế

Từ cuối những năm 1995, SDR tiếp tục được phát triển thêm sang cả mục đích thương mại và ngày càng phát triển kể cả cho tới hiện nay, đặc biệt là ở Mỹ, Nhật và châu Âu[3]

2.4 Ưu nhược điểm

2.4.1 Ưu điểm vượt trội của hệ thống SDR

- Với những nhà sản xuất thiết bị vô tuyến và những nhà tích hợp hệ thống, SDR cho phép:

+ Một họ các sản phẩm vô tuyến được triển khai sử dụng một kiến trúc nền chung, cho phép các sản phẩm mới được nhanh chóng giới thiệu ra thị trường

+ Phần mềm nhằm tái sử dụng qua các sản phẩm vô tuyến, giảm đáng kể chi phí

+ Việc lập trình lại “Over-the-air” (OTA) cho phép sửa lỗi ngay trong khi một hệ thống vô tuyến đang trong phiên làm việc, do đó giảm thời gian và những chi phí liên quan đến vận hành và bảo dưỡng

- Với những nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến, SDR cho phép:

+ Các khả năng và đặc tính mới được bổ sung vào cơ sở hạ tầng hiện có mà không cần đòi hỏi tiêu tốn lượng vốn lớn mới, cho phép các nhà cung cấp dịch vụ kiểm tra thử gần giống trong tương lai các mạng của họ

+ Việc sử dụng một nền tảng vô tuyến chung cho nhiều thị trường sẽ giảm một cách đáng kể các chi phí hoạt động và trợ giúp

+ Tải phần mềm từ xa, thông qua đó tăng dung lượng hệ thống, kích hoạt các bản nâng cấp khả năng hệ thống và chèn thêm vào các đặc tính tạo ra lợi nhuận mới

- Với những người sử dụng cuối- từ những người kinh doanh có nhu cầu đi lại nhiều tới những người lính trên chiến trường, kĩ thuật SDR hướng tới mục tiêu:

+ Giảm chi phí trong việc cung cấp cho người sử dụng cuối khả năng truy cập tới mạng thông tin không dây rộng khắp, cho phép họ có thể liên lạc với bất cứ ai họ cần, bất kì lúc nào họ muốn và trong bất cứ phương thức nào thích hợp

2.4.2 Những hạn chế hiện nay khi triển khai giải pháp SDR

Thứ nhất, rất khó để triển khai chỉ một anten và một bộ khuếch đại tạp âm thấp

để phục vụ một băng thông trải từ hàng trăm MHz đến vài GHz, ví dụ như để phủ sóng các băng của mọi mạng không dây 4G như hình sau [6]:

Hình 2.2 Phổ di động sử dụng ở châu Âu ( theo nguồn Jondral, 1999)

Với các công nghệ hiện nay thì giải pháp duy nhất là sử dụng rất nhiều phần analog

để làm việc trong các băng tần khác nhau Điều này rõ ràng sẽ làm tăng độ phức tạp trong thiết kế cũng như tăng kích thước của thiết bị đầu cuối

Thứ hai là hiệu năng của bộ ADC vẫn chưa đủ để biểu diễn trong quá trình

số hóa của tất cả các chuẩn wireless hiện có ở tần số vô tuyến Cụ thể, độ rộng băng tần đầu vào analog, tốc độ lấy mẫu, dải động và do đó cả độ phân giải sẽ cần một lượng đáng kể những cải tiến công nghệ nếu như thiết bị đầu cuối băng rộng và tốc

độ lấy mẫu ở RF đều đạt lí tưởng

Thứ ba là để cho phép việc thực hiện trong thời gian thực các chức năng giao diện radio thực hiện bằng phần mềm như chuyển đổi tần số, lọc số và trải phổ thì cần phải sử dụng các bộ DSP song song Điều này đồng thời cũng tạo ra những vấn

đề như độ phức tạp của mạch cao, tiêu thụ công suất lớn và sự lăng phí

Chương 3 :

Phân tích bộ thu định vị toàn cầu GPS

3.1 Tổng quan về hệ thống GPS

GPS là một hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu của Mỹ, cung cấp các dịch vụ định

vị, dẫn đường, và các dịch vụ thời gian cho người sử dụng trên toàn thế giới một cách liên tục, bất kể thời tiết, ngày đêm, dù họ ở bất kì nơi nào trên trái đất

Hệ thống GPS được chia ra thành ba phân hệ chính: phân hệ không gian, phân hệ điều khiển, và phân hệ sử dụng Bộ Quốc phòng Mỹ đảm nhiệm việc sản xuất và phóng các vệ tinh, cũng như việc quản lý các trạm điều khiển vệ tinh ở mặt đất Phần người sử dụng bao gồm nhiều thành phần, có nhiệm vụ quản lý và phát triển các ứng dụng GPS, bao gồm cả việc xây dựng các thiết bị sử dụng hệ thống như anten và máy thu

Đối với máy thu, hệ thống GPS cung cấp hai loại dịch vụ cơ bản, đó là: dịch vụ định vị tiêu chuẩn (SPS) và dịch vụ định vị chính xác (PPS) Chính phủ Mỹ, quân đồng minh và những người sử dụng đặc biệt được cấp phép sử dụng PPS Họ sử dụng các thiết bị bảo mật và các máy thu được trang bị đặc biệt Độ chính xác của PPS được dự kiến là 22 m theo chiều ngang, 27.7 m theo chiều dọc và thời gian là

200 ns (UTC) Trong khi đó, những người sử dụng bình dân trên khắp thế giới được

sử dụng SPS miễn phí hoặc bị hạn chế sử dụng Hầu hết các máy thu đều có khả năng thu và sử dụng tín hiệu SPS Độ chính xác của SPS bị cố ý làm giảm bằng việc dùng Selective Availability bởi DOD Độ chính xác của SPS được dự kiến là 100 m

theo chiều ngang, 156 m theo chiều dọc và thời gian là 340 ns [2]

3.1.1 Phân hệ không gian

Phân hệ không gian sử dụng thời gian nguyên tử và phát ra tín hiệu cao tần chứa

mã giả ngẫu nhiên, và phát lại bản tin định vị từ các tín hiệu thu được (từ phân hệ điều khiển)

Phân hệ không gian bao gồm các thành phần sau:

3.1.1.1 Chùm sao vệ tinh

Chùm sao vệ tinh GPS gồm 24 vệ tinh chủ đạo và một vài vệ tinh dự trữ, được phân bố trên 6 quỹ đạo gần tròn, kí hiệu từ A đến F, với đường kính khoảng 20.138km và nghiêng 55° so với mặt phẳng Xích đạo Mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh chính được kí hiệu từ 1 đến 4 và được phân bố đều Chu kỳ của các vệ tinh là 12 giờ Cấu trúc quỹ đạo vệ tinh này cho phép người sử dụng hệ thống GPS trên mặt đất có thể “nhìn thấy” tối thiểu là 4 vệ tinh và trung bình từ 6 đến 8 vệ tinh nếu

không bị cản trở bởi các cấu trúc hạ tầng dưới mặt đất [3]

Hình 3.1 Chùm sao vệ tinh

3.1.1.2 Vệ tinh GPS

Các vệ tinh có cấu trúc và cơ cấu giữ cho chúng ở trên quỹ đạo, liên lạc với phân

hệ điều khiển, và phát tín hiệu tới máy thu

Hình 3.2 Vệ tinh NAVSTAR

Các vệ tinh GPS được nhận biết theo nhiều cách: Chúng có thể được nhận biết bởi vị trí của chúng trên quỹ đạo (mỗi vệ tinh có một vị trí (1, 2, 3, …) trên 6 quỹ đạo: A, B, C, D, E, F) hay bởi số chứng nhận NASA, hoặc có thể được xác định bởi

ID quốc tế, hoặc có thể bởi mã giả ngẫu nhiên PRN hay bởi số hiệu SVN

Mỗi vệ tinh trong hệ thống GPS có một đồng hồ với độ chính xác rất cao Các đồng hồ đó hoạt động ở một tần số cơ bản 10.23 MHz, chúng được dùng để phát tín hiệu xung, các tín hiệu đó được phát quảng bá từ các vệ tinh

3.1.2 Phân hệ điều khiển

Các trạm điều khiển mặt đất là đầu não của toàn bộ hệ thống, bao gồm một trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station – MCS) đặt tại căn cứ không quân Schriever, Colorado Spring ở bang Colorado - Mỹ; năm trạm thu số liệu được đặt quanh trái đất dọc theo đường Xích đạo, cụ thể là ở Nam Đại Tây Dương (Ascension), Ấn Độ Dương (Diego Garcia), Nam Thái Bình Dương (Kwajalein), Hawaii và Colorado Spring; và ba trạm truyền số liệu đặt tại Nam Đại Tây Dương,

Ấn Độ Dương, Nam Thái Bình Dương [3]

Hình 3.3 Phân hệ điều khiển

MCS làm nhiệm vụ theo dõi trạng thái của các vệ tinh, quản lý quỹ đạo vệ tinh

và duy trì thời gian GPS Từ đó dự đoán các thông số quỹ đạo và đưa ra giá trị thời gian GPS đồng bộ giữa các vệ tinh, nhằm cập nhật dữ liệu định vị của các vệ tinh Năm trạm thu số liệu có nhiệm vụ theo dõi các tín hiệu vệ tinh để kiểm soát và

dự đoán quỹ đạo của chúng Mỗi trạm được trang bị những máy thu P-code để thu các tín hiệu của vệ tinh, sau đó truyền về trạm điều khiển chính

Ba trạm truyền số liệu có khả năng chuyển số liệu lên vệ tinh, gồm lịch thiên văn mới, dữ liệu hiệu chỉnh đồng hồ, các bản tin, và các lệnh điều khiển từ xa

3.1.3 Phân hệ sử dụng

Phân hệ sử dụng bao gồm các bộ thu GPS và cộng đồng người sử dụng Các máy thu GPS sẽ chuyển đổi các tín hiệu vệ tinh thành các thông số vị trí, vận tốc, và thời gian Để tính toán các thông số vị trí (X, Y, Z) và thời gian, chúng ta cần ít nhất bốn

vệ tinh Bộ thu GPS được sử dụng cho các dịch vụ định vị, dẫn đường, phân phát thời gian, và các nghiên cứu khác

Với cấu trúc và đặc điểm của hệ thống GPS như trên, ta thấy rằng GPS có rất nhiều ưu điểm và đem lại nhiều lợi ích khi hoạt động Các ứng dụng sử dụng dịch

vụ GPS ngày càng được mở rộng và phát triển rộng rãi Trong phần tiếp theo, chúng

3.2 Cấu trúc tín hiệu GPS

Để thiết kế máy thu GPS đơn tần định nghĩa bởi phần mềm thì cần phải biết về các đặc tính của tín hiệu và dữ liệu được phát từ vệ tinh GPS cũng như nhận bởi anten máy thu GPS

3.2.1 Các tín hiệu và dữ liệu

Các tín hiệu GPS được phát trên hai tần số vô tuyến trên băng UHF (500 MHz –

3 GHz) Các tần số này được đặt là L1 và L2 và được nhận từ một tần số chung f0 =

Sơ đồ khối của bộ tạo tín hiệu GPS được trình bày trong hình 3.1 [1]

Đọc sơ đồ từ trái qua phải Ngoài cùng bên trái là tín hiệu đồng hồ chính được cấp cho các khối còn lại Tín hiệu đồng hồ có tần số 10.23 MHz Thực tế tần số chính xác là 10.22999999543 MHz để hiệu chỉnh các ảnh hưởng tương đối với tần

số 10.23 MHz từ người sử dụng trên trái đất Khi được nhân với 154 và 120, nó tạo

ra các tín hiệu sóng mang L1 và L2 Ở góc bên trái dưới cùng, một bộ hạn chế được

dùng để ổn định tín hiệu đồng hồ trước khi cấp cho các bộ tạo mã C/A và mã P (Y)

Ở phía dưới là bộ tạo dữ liệu có nhiệm vụ tạo ra dữ liệu định vị Các bộ tạo mã và

bộ tạo dữ liệu được đồng bộ qua tín hiệu X1 được cấp bởi bộ tạo mã P (Y)

Sau khi tạo mã, các mã được kết hợp với dữ liệu định vị qua các bộ cộng module-2 Phép XOR được dùng trên các dãy bit “0” và “1”, còn dạng phân cực 1

và -1 thì phép XOR được thay thế bằng phép nhân thông thường

Hình 3.4 Sơ đồ khối bộ tạo tín hiệu GPS

Các tín hiệu là mã C/A (hoặc mã P (Y)) cộng module-2 với dữ liệu được cấp cho hai bộ điều chế tần số L1 Ở đây các tín hiệu được điều chế trên tín hiệu sóng mang

sử dụng phương thức điều chế pha nhị phân BPSK Chú ý rằng, hai mã được điều chế theo pha và vuông pha với mỗi mã trên L1 Tức là có một độ dịch pha 900 giữa hai mã Sau khi phần P (Y) bị suy giảm 3 dB, hai tín hiệu L1 này được cộng với nhau để được tín hiệu L1 Dịch vụ định vị chuẩn SPS chỉ được xây dựa trên tín hiệu

mã C/A

Tín hiệu được phát bởi vệ tinh k có thể được mô tả như sau: [1]

Ở đây PC, PPL1 và PPL2 là các mức công suất của các tín hiệu với mã C/A hoặc P (Y), Ck là dãy mã C/A ấn định cho số hiệu vệ tinh k, Pk là dãy mã P (Y) ấn định cho

số hiệu vệ tinh k, Dk là chuỗi dữ liệu định vị, và fL1 và fL2 là các tần số sóng mang của L1 và L2

Hình 3.2 mô tả ba phần hình thành nên tín hiệu trên tần số L1 Mã C/A lặp lại chính nó mỗi ms, và một bit định vị kéo dài 20 ms Do đó với mỗi bit định vị, tín hiệu bao gồm 20 mã C/A đầy đủ

Hình 3.5 Cấu trúc tín hiệu L1

f(t) là sóng mang và C(t) là chuỗi mã C/A rời rạc Như thấy ở trên, tín hiệu này lặp lại chính nó mỗi ms D(t) là dòng bit dữ liệu định vị rời rạc Một bit định vị kéo dài 20 ms Ba phần của tín hiệu L1 được nhân để tạo tín hiệu cuối cùng

Hình 3.6 Điều chế BPSK trong tín hiệu GPS

Tín hiệu L1 cuối cùng là sản phẩm của các tín hiệu C, D và sóng mang Đồ thị bao gồm 25 chip đầu tiên của mã Gold cho PRN 1

Hình 3.3 mô tả mã Gold C, dữ liệu định vị D, tín hiệu cộng module-2 giữa C, D

và sóng mang Tín hiệu cuối cùng được tạo ra bằng điều chế BPSK, trong đó sóng mang được dịch pha ngay tức thì 1800 ở thời điểm một thay đổi chip Khi chuyển tiếp bit dữ liệu định vị xảy ra (khoảng 1/3 từ cạnh bên phải), pha của tín hiệu cuối cùng cũng bị dịch 1800

Tóm lại, với tín hiệu GPS, chiều dài mã là 1023 chip, tốc độ chip là 1.023 MHz (chu kỳ là 1ms), tốc độ dữ liệu là 50 Hz (20 chu kỳ mã trên 1 bit dữ liệu), ~ 90% công suất tín hiệu trong băng tần ~ 2 MHz

3.2.3 Mã C/A

Chúng ta chỉ xem xét tín hiệu GPS theo mã C/A Các mã C/A là các mã Gold và

có tính chất của mã giả ngẫu nhiên PRN

3.2.3.1 Chuỗi Gold

Các mã nhiễu giả ngẫu nhiên PRN được phát bởi các vệ tinh GPS là các chuỗi

một thanh ghi dịch có hồi tiếp tuyến tính (LFSR) có phân nhánh Nó tạo ra một chuỗi có chiều dài tối đa N = (2n – 1) phần tử

Một mã Gold là tổng của hai chuỗi có chiều dài tối đa Mã C/A của tín hiệu GPS

sử dụng n = 10 Chuỗi p(t) lặp lại theo ms nên chiều dài chip là 1ms/1023 = 977.5

ns ≈ 1 µs, tương ứng với một chiều dài 300 m khi truyền dẫn trong chân không hoặc không khí Hàm tự tương quan (ACF) đối với mã C/A này là:

(3.4)

Chuỗi này có 512 bit “1” và 511 bit “0” xuất hiện ngẫu nhiên, và hoàn toàn xác định Chuỗi Gold có tính giả ngẫu nhiên chứ không phải ngẫu nhiên Ngoài ra khoảng tương quan ACF của p(t) là -1/N Với mã C/A, hằng số này là -1/N = -

1/1023, như hình 2.4 [1]

ACF được biểu diễn như tổng của hằng số này và một chuỗi vô hạn của hàm tam giác rX(τ):

(3.5)

Hình 3.7 Đồ thị cột của một ACF cho một chuỗi Gold

3.2.3.2 Tạo chuỗi Gold

Việc tạo ra các mã Gold được trình bày tóm tắt trong hình 2.5 Bộ tạo mã C/A

dãy chiều dài 1023 Hai dãy có chiều dài 1023 chip tạo ra được cộng module-2 để tạo ra một mã C/A dài 1023 chip, chỉ khi mà đa thức có thể tạo ra mã có chiều dài cực đại

Mỗi khi tới chu kỳ thứ 1023 thì các thanh ghi dịch được reset tất cả về 1, tạo ra

mã bắt đầu lại Thanh ghi G1 luôn có cấu hình hồi tiếp với đa thức:

(3.8)

Hình 3.8 Bộ tạo mã C/A

Bộ tạo mã bao gồm hai thanh ghi dịch là G1 và G2 Đầu ra của G2 phụ thuộc vào bộ chọn pha Các cấu hình khác nhau của bộ chọn pha tạo ra các mã C/A khác nhau

Nghĩa là trạng thái 3 và 10 được hồi tiếp về đầu vào Tương tự thì thanh ghi G2

có đa thức:

(3.9)

Để tạo các mã C/A khác nhau cho các vệ tinh, đầu ra của hai thanh ghi dịch được kết hợp theo các cách thức đặc biệt Thanh ghi G1 luôn cung cấp đầu ra của nó, nhưng thanh ghi G2 cung cấp hai trong các trạng thái của nó tới bộ cộng module-2

để tạo ra đầu ra của nó Việc chọn các trạng thái cho bộ cộng module-2 gọi là chọn pha Bảng 3.1 biểu diễn sự kết hợp của các sự chọn pha cho mỗi mã C/A Nó cũng trình bày 10 chip đầu tiên của mỗi mã trong biểu diễn bát phân

tín hiệu GPS

Lựa chọn pha

mã của thanh ghi G2

Số chip bị làm trễ

Biểu diễn bát phân của 10 chip đầu tiên