Hệ thống antenna thông minh cho thông tin vệ tinh tầm thấp LEO

Hàng loạt các công nghệ vô tuyến đã và đang được đầu tư nghiên cứu, phát triển và khai thác mạnh mẽ như công nghệ di động mạng 2G/3G/4G, công nghệ wifi, Bluetooth, Push-to-Talk, vệ tinh

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS PHẠM HẢI ĐĂNG

Hà Nội – Năm 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là kết quả nghiên cứu của chính bản thân tôi Các nghiên cứu trong luận văn này dựa trên những tổng hợp lý thuyết và mô phỏng thực tế của mình, mọi thông tin trích dẫn đều được tuân theo luật sở hữu trí tuệ, liệt

kê rõ ràng các tài liệu tham khảo Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong này

Tác giả

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8

MỞ ĐẦU 10

NỘI DUNG 12

Chương 1: TỔNG QUAN 12

1 Tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh 12

2 Hệ thống vệ tinh tầm thấp (LEO) và ứng dụng 16

2.1 Ứng dụng định vị 17

2.2 Ứng dụng thông tin liên lạc 19

2.3 Ứng dụng dự báo thời tiết 21

3 Vệ tinh khí tượng NOAA 22

3.1 Giới thiệu vệ tinh khí tượng NOAA 23

3.2 Khung vệ tinh NOAA-KLM 25

3.3 Các phương pháp thu tín hiệu vệ tinh NOAA 28

4 Kết luận chương 29

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 30

1 Lý thuyết cơ bản hệ thống thu phát đa ăng ten 30

2 Ăng ten thông minh (smart antenna) 33

2.1 Giới thiệu chung 33

2.2 Hệ thống mảng ăng ten 34

2.3 Hệ thống mảng Ăng ten thích ứng (AAA) 38

2.4 Hệ thống điều khiển búp sóng số và các thuật toán 47

2.5 Ước lượng góc tới của tín hiệu vệ tinh NOAA 57

3 Kết luận chương 59

Chương 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG SỐ VÀ KẾT

QUẢ MÔ PHỎNG 60

1 Phần mềm thiết kế thuật toán 60

2 Xây dựng mô hình hệ thống phần cứng 61

3 Mô phỏng tín hiệu phát 63

3.1 Điều kiện mô phỏng 63

3.2 Tạo khung tín hiệu vệ tinh 63

3.3 Mô phỏng tín hiệu điều chế dạng Split Phase 65

4 Xác định góc tới và đồng bộ khung tín hiệu 66

5 Thiết kế MMSE và MRC 68

6 Triển khai trên FPGA 72

7 Kết luận chương 75

KẾT LUẬN 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Analog-to-Digital Converter (ADC) Bộ chuyển đổi tương tự ra số Angle of Arrival (AOA) Góc tới

Additive White Gaussian Noise (AWGN) Tạp âm Guasse trắng

Array response vector Vector đáp ứng mảng

Bit Error Rate (BER) Tỉ lệ bit lỗi

Binary Phase Shift Keying (BPSK) Khóa dịch pha nhị phân Correlation matrix Ma trận tương quan

Digital Beamforming (DBF) Bộ điều khiển búp sóng số

Low Earth Orbit (LEO) Quỹ đạo tầm thấp

Low Noise Amplifier (LNA) Bộ khuếch đại tạp âm thấp

Medium Earth Orbit (MEO) Quỹ đạo tầm trung

Pseudocode Noise (PN) Mã giả ngẫu nhiên

Signal-to-Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu

Ultra High Frequancy (UHF) Tần số siêu cao

Uniform Linear Array (ULA) Mảng tuyến tính đồng dạng Very High Frequency (VHF) Tần số rất cao

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1: Đặc tính kênh truyền HRPT 26

Bảng 1-2: Thông số HRPT cho NOAA-KLM 26

Bảng 1-3: Chi tiết số từ mã khung vệ tinh NOAA-KLM 27

Bảng 2- 1: Công thức tính toán trọng số β 45

Bảng 3- 1: Điều kiện mô phỏng 63

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1- 1: Vệ tinh và ứng dụng 12

Hình 1- 2: Ứng dụng Viễn Thông cho vệ tinh 14

Hình 1- 3: Cách phân loại vệ tinh chia theo độ cao quĩ đạo 15

Hình 1- 4: Các hệ thống vệ tinh tầm thấp 17

Hình 1- 5: Vệ tinh định vị GPS 18

Hình 1- 6: Cấu trúc chòm sao vệ tinh Iridium 20

Hình 1- 7: Vệ tinh tầm thấp quĩ đạo cực 22

Hình 1- 8: Vệ tinh quĩ đạo cực NOAA 23

Hình 1- 9: Các thế hệ vệ tinh NOAA 24

Hình 1- 10: Điều chế Split Phase 680/-680 25

Hình 1- 11: Cấu trúc khung vệ tinh NOAA-KLM 27

Hình 1- 12: So sánh anten đơn dạng Parabol (trái) và mảng anten thông minh (phải) 29

Hình 2- 1: Phân loại hệ thống thu-phát đa ăng ten 31

Hình 2- 2: Các phương thức ghép khi triển khai nhiều ăng ten truyền 32

Hình 2- 3: Một số loại mảng anten 35

Hình 2- 4: Mảng anten ULA 35

Hình 2- 5: Mô hình sóng truyền tới mảng ULA 36

Hình 2- 6: Mô hình tạo búp sóng phát 39

Hình 2- 7: Mành búp sóng phát xạ của mảng 4 ăng ten trong một hệ thống (hướng búp sóng chính 2400) 40

Hình 2- 8: Cấu trúc cơ bản của một SRB 42

Hình 2- 9: Cấu trúc chung của TRB 44

Hình 2-10: So sánh hiệu suất của các thuật toán LMS, NLMS, và RLS (theo BER) 46

Hình 2-11: Mô hình hoạt động của bộ tạo búp sóng số 47

Hình 2-12: Đồ thị bức xạ mảng với góc tới là 00 49

Hình 2-13: Đồ thị bức xạ mảng với khoảng cách d = λ/4; λ/2; λ; 2λ 49

Hình 2-14: Đồ thị bức xạ mảng với số lượng anten khác nhau 51

Hình 2-15: Hoạt động của bộ tạo búp sóng số 54

Hình 2-16: Đồ thị bức xạ mảng MMSE 56

Hình 2-17: Xác định và đồng bộ khung vệ tinh NOAA 58

Hình 2-18: Sơ đồ hệ thống thu tín hiệu vệ tinh NOAA 59

Hình 3-1: Quy trình thiết kế sử dụng phần mềm SystemVue 60

Hình 3-2: Mô hình hệ thống thu phát vệ tinh NOAA 61

Hình 3-3: Thiết bị tạo tín hiệu vector E8267D PSG 62

Hình 3-4: Sơ đồ triển khai trên phần cứng 62

Hình 3-5: Frame Sync 64

Hình 3-6: Spare Words 64

Hình 3-7: Auxiliary Sync 65

Hình 3-8: Mô hình điều chế Split Phase 65

Hình 3-9: Tín hiệu được tạo xung RRC 66

Hình 3-10: Phát hiện khung và xác định góc tới 67

Hình 3-11: Đỉnh tương quan với chiều dài bộ lọc MF là 128 67

Hình 3-12: Đỉnh tương quan với chiều dài bộ lọc MF là 256 68

Hình 3-13: Mô hình bộ tạo búp sống số MMSE và MRC 68

Hình 3-14: MMSE và MRC 69

Hình 3-15: Thiết kế khối MRC trên SystemVue 69

Hình 3-16: Beam-pattern của MMSE trên Matlab 70

Hình 3-17: Beam-pattern của MMSE trên SystemVue 70

Hình 3-18: Beam-pattern của MRC trên Matlab 71

Hình 3-19: Beam-pattern của MRC trên SystemVue 72

Hình 3-20: Thiết kế MRC trên StellarIP 73

Hình 3-21: 4 kênh đầu tiên của FMC112 được kích hoạt trên ISE 73

Hình 3-22: Thuật toán MRC trên ISE 74

Hình 3-23: Beam pattern trên Matlab từ dữ liệu chạy trên FPGA KC705 74

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, mạng thông tin vô tuyến đang có xu hướng phát triển mạnh mẽ với nhiều công nghệ mới ra đời phục vụ cho nhiều ứng dụng thông tin liên lạc và đời sống Với đặc điểm tính di động cao, tiện lợi và nhanh chóng cho các nhu cầu cá nhân, người sử dụng hoàn toàn có thể giữ liên lạc, trao đổi công việc, giải trí trực tuyến, cập nhật thông tin chỉ với 1 thiết bị đầu cuối đơn giản và gọn nhẹ Hàng loạt các công nghệ vô tuyến đã và đang được đầu tư nghiên cứu, phát triển và khai thác mạnh mẽ như công nghệ di động (mạng 2G/3G/4G), công nghệ wifi, Bluetooth, Push-to-Talk, vệ tinh (GEO, MEO, LEO)…

Hệ thống vệ tinh phi địa tĩnh đang ngày càng được khai thác sử dụng phổ biến với chức năng đặc biệt phục vụ cho con người như: quan trắc điều kiện thời tiết, định vị vị trí, thông tin liên lạc, dịch vụ dẫn đường, giám sát …Hệ thống vệ tin tầm thấp LEO thuộc nhóm vệ tinh này và đang phục vụ cho khá nhiều nhu cầu thực tiễn như trên, đặc biệt là trong lĩnh vực thời tiết

Môi trường vô tuyến biến động phức tạp, trễ và nhiễu lớn dẫn đến tín hiệu đi

từ phát đến thu bị biến dạng và sai lệch nhiều Do đó vai trò của ăng ten thu và kỹ thuật thu là rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng thông tin liên lạc Nhằm tăng nâng cao hiệu quả trao đổi thông tin vệ tinh LEO, bên cạnh sử dụng hệ thống ăng ten vật lý truyền thống, việc sử dụng dàn ăng ten thông minh gồm nhiều ăng ten là một giải pháp đang được nghiên cứu hiện nay Trong đó có nhiều kỹ thuật đã và đang được sử dụng nhằm nâng cao hiệu suất thu tín hiệu, cải thiện tỉ số tín hiệu trên nhiễu để cho khả năng giải mã tín hiệu tốt hơn, qua đó nâng cao chất lượng cũng như băng thông của đường truyền vệ tinh LEO Đó là lý do tôi chọn đề tài “Hệ thống antenna thông minh cho thông tin vệ tinh tầm thấp LEO” Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và sự kính trọng của mình tới TS Phạm Hải Đăng - người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện cho tôi trong quá trình tìm hiểu học tập và nghiên cứu tại Viện Điện tử- Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

2 Lịch sử nghiên cứu

Đề tài được tôi phát triển từ năm 2014 với nội dung:

- Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết ăng ten thông minh

- Lựa chọn các giải pháp thiết kế

Sau đó được sự bổ sung và góp ý của thầy giáo hướng dẫn, đề tài được sửa chữa vào đầu nằm 2015 đến nay để hoàn thiện nội dung về:

- Thiết kế và giả lập các thuật toán MMSE, MRC trên phần mềm System Vue

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Mục đích và đối tượng nghiên cứu của luận văn là tìm và thiết kế một thuật toán xử lý tín hiệu cho FPGA để xử lý cho mảng ăng ten thông minh ứng dụng trong công nghệ truyền thông của vệ tinh khí tượng NOAA

- Trong khuôn khổ luận văn này, tôi định hướng thiết kế mô phỏng thử thuật toán chạy trên FPGA cho thuật toán tạo búp sóng của ăng ten thông minh

4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

- Luận văn đã nghiên cứu được các phương pháp điều khiển búp sóng, lựa chọn được phương án thiết kế tối ưu và chạy mô phỏng thành công trên phần mềm System Vue

- Phần mô phỏng có thể được ứng dụng nạp vào các vi điều khiển FPGA điều khiển phần tạo búp sóng trong khối thu của trạm thu phát mặt đất dành cho

vệ tinh NOAA

5 Phương pháp nghiên cứu

- Việc nghiên cứu dựa vào các lý thuyết về mảng ăng ten, đặc biệt là các nội dung nghiên cứu trong cuốn “Stactistical and adaptive signal processing – spectral estimation, signal modeling, adaptive filtering and array processing” của các tác giả: Dimitris G Manolakis, Vinay K Ingle và Stephen M Kogon [1]

- Việc thực nghiệm mô phỏng thuật toán được thực hiện tại phòng LAB của

TS Phạm Hải Đăng

NỘI DUNG

Chương 1: TỔNG QUAN

1 Tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh

Vệ tinh viễn thông là một loại vệ tinh nhân tạo được đặt trong vũ trụ nhằm phục vụ các mục đích viễn thông Hệ thống thông tin vệ tinh là một trong những công nghệ truyền thông vô tuyến ra đời muộn nhất, nhưng đang trở thành một trong những kỹ thuật quan trọng ngày nay Thông tin vệ tinh đang được khai thác trong nhiều mặt quan trọng của cuộc sống: mạng truyền thông, truyền hình mặt đất, kênh truyền xuyên quốc gia, xuyên lục địa, dự báo thời tiết, định vị

Hình 1- 1: Vệ tinh và ứng dụng

Với lợi thế quỹ đạo cao cách xa trái đất, tầm phủ rộng bằng sóng vô tuyến, vệ tinh đã được sử dụng như một trạm thông tin tổng hợp thu tín hiệu từ các trạm mặt đất và phát sóng đến các trạm thu trong một diện tích rông

Vệ tinh viễn thông đầu tiên được lắp đặt máy thu phát radio hoạt động trên 2 băng tần 20,005 và 40,002 MHz là Soviet Sputnik 1 được phóng lên năm 1957 Vệ tinh viễn thông đầu tiên của Mỹ là Project SCORE được phóng vào năm 1958, sử dụng máy ghi âm để lưu và chuyển các tin nhắn thoại Telstar là vệ tinh viễn thông tiếp âm trực tiếp đầu tiên Nó được NASA phóng lên vào ngày 10/7/1962 tại Cape Canaveral [9]

Dự báo thời tiết là một trong những ngành nhận được những ứng dụng quan trọng nhất của công nghiệp vũ trụ Vệ tinh viễn thông là công nghệ vũ trụ được thương mại hoá duy nhất - tạo ra hàng tỷ USD mỗi năm nhờ doanh thu của các sản phẩm và dịch vụ xung quanh nó

Tuy vậy, không phải tất cả vệ tinh phóng lên đều thành công Trong lịch sử vệ tinh, đã có nhiều quốc gia phải ngậm ngùi chấp nhận thất bại Một bài nghiên cứu

về hiện trạng vệ tinh trên toàn cầu của tác giả Bruce Elbert cho thấy, trong giai đoạn 1997-2005, có tất cả 170 vệ tinh được phóng lên và trong số này có 10 cái gặp trục trặc Như vậy, tỷ lệ thất bại của vệ tinh giai đoạn đó là khoảng 6% [9]

Ngành công nghiệp vệ tinh viễn thông bùng nổ với 4 mảng lợi nhuận chính: cho thuê hệ thống; các dịch vụ vệ tinh thuê bao; sản xuất thiết bị mặt đất và sản xuất

vệ tinh Tuy nhiên, ứng dụng đầu tiên quan trọng nhất trong lịch sử của vệ tinh viễn thông nằm ở điện thoại đường dài liên lục địa Ứng dụng tiếp theo là truyền hình, truyền thanh

Truyền hình trở thành thị trường chính với nhu cầu liên tục truyền đi một số tín hiệu băng rộng lớn đến nhiều trạm tiếp Hai loại vệ tinh viễn thông được dùng cho mục đích truyền thanh, truyền hình của khu vực Bắc Mỹ là Vệ tinh Truyền thanh/hình trực tiếp (DBS) và Vệ tinh dịch vụ cố định (FSS) Tuy nhiên, năm 1994, khi nhà cung cấp DBS Mỹ đầu tiên là DirecTV được thành lập đã chuyển từ công nghệ vệ tinh FSS sang DTH Dù vậy, vệ tinh FSS vẫn được các kênh cáp và vệ tinh nổi tiếng ứng dụng như CNN, The Weather Channel, HBO, Starz, và nhiều kênh khác HBO là kênh truyền hình đầu tiên sử dụng vệ tinh để phân phối các chương trình của mình

Sau những năm 1990, công nghệ vệ tinh viễn thông được sử dụng như một phương tiện để kết nối Internet thông qua các kết nối dữ liệu băng rộng Ứng dụng này rất hữu ích cho những người truy cập Internet tại vùng sâu, vùng xa và không thể truy cập bằng kết nối băng rộng có dây hoặc kết nối dialup

Có thể nhận thấy với ưu thế phủ song rộng, tín hiệu không bị cản trở bởi chướng ngại vật, vệ tinh có thể trở thành một mắt xích quan trọng trong ứng dụng định vị Trên thế giới việc sử dụng vệ tinh để định vị không phải là một chuyện xa

lạ Hệ thống định vị toàn cầu GPS từ lâu đã được sử dụng tại các nước tiên tiến

Hình 1- 2: Ứng dụng Viễn Thông cho vệ tinh

Hệ thống thông tin vệ tinh cũng là một mạng thông tin vô tuyến quan trọng được đặc trưng bởi quĩ đạo vệ tinh Bao gồm:

- LEO (Low Earth Orbit - quỹ đạo thấp): Tầm cao so với mặt đất 2000Km

- MEO (Medium Earth Orbit - quỹ đạo trung): Tầm cao so với mặt đất 9000Km

- GEO (Geostatinary Earth Orbit - quỹ đạo địa tĩnh): Tầm cao so với mặt đất 40000Km)

- HEO (Highly Elpitical Orbit - quỹ đạo elip cao): Tầm cao so với mặt đất 40.000Km

Hình 1- 3: Cách phân loại vệ tinh chia theo độ cao quĩ đạo

Nếu xét theo ứng dụng, người ta quen thuộc hơn với một cách phân loại khác là: vệ tinh địa tĩnh (GEO) và phi địa tĩnh (chủ yếu bao gồm MEO và LEO)

Hệ thống GEO còn được gọi là vệ tinh địa tĩnh (GSO – Geostationary orbit)

do đặc điểm các vệ tinh đứng yên tương đối so với mặt đất Vệ tinh GEO có ưu điểm: vùng phủ rộng, do đó số lượng vệ tinh phục vụ/1 khu vực địa lý nhỏ hơn so với các loại vệ tinh kia Tuy nhiên lại có một số nhược điểm: việc truyền tín hiệu lên đến vệ tinh gặp khó khăn cộng với trễ truyền từ độ cao GEO về mặt đất là rất lớn do khoảng cách rất xa Đầu cuối liên lạc qua kênh vệ tinh đối mặt với khó khăn của việc kích thước rất lớn, tiêu thụ nhiều công suất và giá thành cao so với các đầu cuối di động tế bào Chính vì thế những ứng dụng như trên của vệ tinh không phải

là điểm mạnh và không có tính cạnh trang nếu so sánh với giải pháp mạng di động

có sẵn Chính những nhược điểm này làm cho xu hướng sử dụng mạng vệ tinh chuyển dần về các hệ thống vệ tinh quĩ đạo thấp phi địa tĩnh

Hệ thống vệ tinh phi địa tĩnh (NGSO) với ưu điểm độ cao quĩ đạo thấp hơn so với vệ tinh địa tĩnh, do đó chi phí triển khai rẻ hơn, thông tin truyền đi nhanh hơn và đảm bảo về chất lượng hơn Đây chính là tiền đề cơ sở để người ta phát triển các mạng lưới hệ thống vệ tinh theo nhiều loại ứng dụng khác nhau như: truyền thông, truyền hình, quan trắc, dự báo thời tiết Trong khuôn khổ luận văn này sẽ tập trung đến phần vệ tinh NOAA, một loại vệ tinh dự báo thời tiết thuộc hệ thống vệ tinh tầm thấp quĩ đạo không địa tĩnh LEO

2 Hệ thống vệ tinh tầm thấp (LEO) và ứng dụng

Vệ tinh quỹ đạo Trái Đất thấp (Low Earth Orbit hay là LEO) có quỹ đạo tròn điển hình cao 400 km so với bề mặt Trái Đất và tương ứng với chu kỳ (thời gian quay quanh Trái Đất) là khoảng 90 phút

Các vật chất trong quĩ đạo LEO bao gồm khí quyển dạng khí tại độ cao từ 80–

500 km và phần bên ngoài khí quyển tại độ cao 500 km hoặc cao hơn Các vật chất trong quĩ đạo LEO quay quanh trái đất nằm giữa tầng khí quyển và vành đại phát xạ Van Allen Tốc độ của vệ tinh cần thiết để đạt sự ổ định tương đối với mặt đất khoảng 7.8 km/s Tốc độ này tỉ lệ nghịch với độ cao của quĩ đạo Theo tính toán, tại

độ cao 200 km, tốc độ này là 7.79 km/s; với độ cao 1500 km là 7.12 km/s

Vì độ cao thấp của nó, những vệ tinh này chỉ có thể nhìn thấy trong vòng bán kinh 1000 km từ điểm chiếu xuống của vệ tinh Thêm nữa, những vệ tinh thấp thay đổi vị trí của chúng so với bề mặt Trái Đất rất nhanh Vì vậy cho một ứng dụng tại một nơi, cần số lượng lớn các vệ tinh này trong để kết nối không bị ngắt quãng Như đã nói ở trên, việc sử dụng hệ thống LEO có ưu điểm hơn GEO khi khắc phục được một vài khó khăn lớn trong việc truyền thông tin như tốn ít năng lượng hơn để vươn tới những vệ tinh này, các thiết bị cầm tay để truyền thông qua đó cũng nhỏ gọn hơn Đồng thời, chất lượng truyền thông cũng đảm bảo hơn do độ trễ

là ngắn hơn (khoảng cách truyền ngắn hơn GEO) cũng như băng thông truyền lớn

Để triển khai một hệ thống tầm phủ toàn diện trên phạm vi toàn cầu thì cần phải tạo

ra một hệ thống nhiều vệ tinh kết hợp

Hình 1- 4: Các hệ thống vệ tinh tầm thấp [10]

Hệ thống vệ tinh tầm thấp có nhiều một số ứng dụng lớn bao gồm: thông tin liên lạc (điển hình như hệ thống Iridium), định vị toàn cầu (điển hình như hệ thống GPS, Glonass), quan trắc và khi tượng (NOAA, Meteor)

2.1 Ứng dụng định vị

Hệ thống vệ tinh tầm thấp có khả năng quan sát bề mặt trái đất rõ ràng nhất do khoảng cách đến bề mặt trái đất là gần nhất và tính di động của vệ tinh này so với

bề mặt trái đất Do đó, việc quản lý các vị trí địa lý trên bề mặt trái đất là hoàn toàn

có thể và dễ dàng triển khai cũng như áp dụng trong thực tiễn Hiện nay ứng dụng này đang là một trong những phương tiện không thể thiếu được của con người trong

cuộc sống Các hệ thống định vị lớn trên thế giới có thể kể đến bao gồm: GPS của Hoa Kỳ, Glonass của Nga

Hệ thống định vị vệ tinh là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo Nguyên lý cơ bản của định vị là: tại cùng một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được tọa độ của vị trí đó Một hệ thống định vị vệ tinh bao gồm nhiều vệ tinh bay trên quĩ đạo, thu thập thông tin toàn cầu và được liên kết xử lý bởi các trạm điều khiển trên mặt đất Ngày nay, khó hình dung rằng có một máy bay, một con tàu hay phương tiện thám hiểm trên bộ nào lại không lắp đặt thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh Từ những năm đầu thập kỷ 80, các nhà sản xuất lớn chú ý nhiều hơn đến đối tượng sử dụng tư nhân Trên các xe hơi hạng sang, những thiết bị trợ giúp cá nhân kỹ thuật số PDA (Personal Digital Assistant) như Ipaq của hãng Compaq, được coi là một trang bị tiêu chuẩn, thể hiện giá trị của chủ sở hữu Trong số các vệ tinh của hệ thống định

vị bao giờ cũng có một số vệ tinh hoạt động chính và các vệ tinh dự phòng cho mục đích hỗ trợ hoặc thay thế

Hình 1- 5: Vệ tinh định vị GPS

Hệ thống định vị nói chung bao gồm 3 mảng:

- Mảng người dùng, gồm người sử dụng và thiết bị thu tín hiệu và tọa độ vị trí địa lý

- Mảng kiểm soát bao gồm các trạm trên mặt đất, chia thành trạm trung tâm và trạm con Các trạm con, vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ Sau đó các trạm con gửi thông tin đã được hiệu chỉnh trở lại, để các vệ tinh biết được vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu Nhờ vậy, các vệ tinh mới có thể đảm bảo tiếp điện thông tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ thời điểm nào

- Mảng còn lại gồm các vệ tinh hoạt động bằng năng lượng mặt trời, bay trên quỹ đạo Quãng thời gian tồn tại của chúng vào khoảng 10 năm và chi phí cho mỗi lần thay thế lên đến hàng tỷ USD

2.2 Ứng dụng thông tin liên lạc

Do hệ thống này cần ít nhiên liệu để phóng lên quĩ đạo, đồng thời vệ tinh tầm thấp cần ít năng lượng để truyền thông tin với trạm mặt đất, hệ thống này đang là sự lựa chọn tốt nhất cho truyền thông qua vệ tinh Do quĩ đạo của vệ tinh LEO là không đứng yên so với mặt đất, người ta cần xây dựng một hệ thống mạng vệ tinh (hoặc còn gọi là chòm sao) để đảm bảo diện tích phủ của cả hệ thống lên bề mặt trái đất là tối đa và liên tục

Các hệ thống LEO yêu cầu gần 30 đến 80 vệ tinh để mang tới vùng phủ toàn cầu Một trong những tham vọng nhất của hệ thống này, hệ thống vệ tinh Iridium (chòm sao Iridium), được bắt đầu tại những năm 1990

Hệ thống Iridium là một dự án đầy tham vọng của hãng Motorola Mạng vệ tinh bao gồm 66 vệ tinh quỹ đạo cực quay xung quanh trái đất Bắt đầu được đưa vào sử dụng ngày 01/11/1998 Năm 2001, Cục Phòng vệ liên bang Mỹ mua lại quyền sử dụng và thành lập công ty “Iridium Satellite LLC ” Trụ sở chính đặt tại Maryland, Mỹ Hệ thống cung cấp các dịch vụ thoại, fax, data với vùng bao phủ toàn bộ bề mặt trái đất; cho phép thực hiện các giải pháp thông tin an toàn, tin cậy,

thời gian thực (real-time), nhiệm vụ quan trọng ở các nơi xa xôi, hẻo lánh bao gồm các lĩnh vực: Hàng hải, hàng không, xây dựng, dầu khí, chính phủ, các tổ chức cứu trợ thiên tai

Hình 1- 6: Cấu trúc chòm sao vệ tinh Iridium

Về kiến trúc có thể chia chòm sao vệ tinh Iridium thành 3 phần:

- Hệ thống các vệ tinh trên quĩ đạo: Iridium bao gồm 66 vệ tinh quỹ đạo thấp (LEO) tạo thành một chòm sao vệ tinh ở trên Trái đất

- Hệ thống các cổng thông tin trên mặt đất: Hệ thống Iridium có 13 cổng thông tin chính được đặt rải rác tại các nước như Hoa Kỳ, Italia, Ấn Độ…

để quản lý và tăng độ tin cậy của hệ thống

- Các phần thu của người dùng tùy theo ứng dụng: Iridium được thiết kế để cung cấp đường truyền riêng cho những người dùng ở những vị trí mà kết nối thoại di động hoặc cố định không thực hiện được Iridium nhắm đến thị trường bao gồm thông tin quốc phòng, hàng hải, hàng không, dầu khí, khai thác mỏ, lâm nghiệp, báo chí và các ngành công nghiệp tương tự khác

Tuy nhiên, chi phí cho những vệ tinh này, để xây dựng, triển khai và duy trì là cao hơn nhiều so với các trạm gốc mặt đất Mặc dầu những hệ thống LEO này chắc chắn có thể bổ sung cho các hệ thống mặt đất trong các khu vực thưa dân và cũng thu hút khách du lịch mong muốn một thiết bị cầm tay với số điện thoại để roaming toàn cầu, sự phát triển và chi phí giảm của hệ thống di động tế bào khiến nhiều kế hoạch đầy tham vọng phổ biến các hệ thống dữ liệu và thoại LEO trở thành hiện thực Iridium dần dần bị buộc phá sản và giải thể, và hầu hết các hệ thống khác đã không được triển khai Một ngoại lệ của những thất bại này chính là hệ thống LEO toàn cầu, thứ hiện tại cung cấp các dịch vụ thoại và dữ liệu trên vùng phủ sóng rộng

ở tốc độ dữ liệu dưới 10Kbps Một vài vệ tinh Iridium vẫn hoạt động tốt

2.3 Ứng dụng dự báo thời tiết

Vệ tinh tầm thấp quỹ đạo cực bay vòng quanh Trái Đất ở độ cao từ 720 đến

800 km (khoảng 450 đến 500 dặm) từ hướng bắc đến nam hoặc ngược lại, và đi ngang qua các địa cực trên đường đi Vệ tinh quỹ đạo cực có quỹ đạo đồng bộ mặt trời , có nghĩa là nó có thể quan sát bất kỳ vị trí nào trên trái đất và mỗi ngày 2 lần với cùng điều kiện ánh sáng vì giờ địa phương chỗ nó đi qua gần như không thay đổi Hoa Kỳ có những vệ tinh NOAA là vệ tinh khí tượng quỹ đạo cực, hiện tại NOAA 12, NOAA 14 là dự bị, NOAA 15 và NOAA 16 là tàu phụ, NOAA 17 và NOAA 18 là tàu chính Nga có những vệ tinh METEOR và RESURS Ảnh chụp ánh sáng bình thường của vệ tinh khí tượng chụp ban ngày người bình thường vẫn

có thể hiểu được; mây, hệ mây như bão nhiệt đới, hồ, rừng, núi, tuyết, cháy, ô nhiễm, khói, sương mù đều hiện ra Ngay cả gió vẫn có thể xác định được dựa

trên hình dạng mây, cách sắp xếp và sự di chuyển từ những bức ảnh trước đó Ảnh hồng ngoại và ảnh chụp nhiệt độ được chụp bằng các sensor cho phép các nhà phân tích xác định độ cao và loại mây, tính nhiệt độ mặt đất và mặt nước, đặt điểm mặt biển

Hình 1- 7: Vệ tinh tầm thấp quĩ đạo cực

3 Vệ tinh khí tượng NOAA

Vệ tinh khí tượng là một loại vệ tinh nhân tạo được dùng chủ yếu để quan sát thời tiết và khí hậu trên Trái Đất Các vệ tinh khí tượng không chỉ quan sát được mây và các hệ mây Nó có thể quan sát được ánh sáng của thành phố, các

vụ cháy, ô nhiễm, cực quang, cát và bão cát, vùng bị tuyết bao phủ, bản

đồ băng, hải lưu, năng lượng lãng phí và các thông tin môi trường khác được thu thập bởi vệ tinh khí tượng[5]

Hình 1- 8: Vệ tinh quĩ đạo cực NOAA

3.1 Giới thiệu vệ tinh khí tượng NOAA

Chương trình nghiên cứu môi trường thông qua mạng lưới vệ tinh quan trắc trái đất từ vũ trụ có rất nhiều quốc gia như Cơ quan quản lý vũ trụ của Mỹ (NASA),

cơ quan vũ trụ châu Âu của các nước cộng đồng châu Âu (ESA), cơ quan phát triển

vũ trụ Nhật Bản (NASDA), các nước Ấn Độ, Trung Quốc (NSMC), Canada cũng

có rất nhiều chương trình nghiên cứu và đạt được một số thành tựu nhất định

Khi các vệ tinh phóng thành công thì công nghệ vũ trụ được sử dụng để nghiên cứu môi trường trái đất thông qua các hệ thống quan sát từ xa đặt trên vệ tinh nhân tạo hay tàu vũ trụ có người lái Tổ chức NOAA được thành lập dựa trên nền tảng các tổ chức liên quan đến phát triển môi trường, khai thác các tài nguyên phong phú trong thiên nhiên, hiểu biết thêm các hiện tượng đại dương, không khí,…

nỗ lực áp dụng các ứng dụng đó trong cuộc sống các tổ hức này được phát triển từ những năm 1870 của thế kỷ 19

Ngày 03/10/1970 NOAA được thành lập, hiện nay NOAA là một cơ quan nghiên cứu khoa học của các tổ chức: Cục đại dương (National Ocean Service), Cục

thời tiết (National Weather Service), Cục khai thác cá biển (National Marine Fisheries Service), Sở thông tin và dữ liệu môi trường vệ tinh (National Enviromental Satellite Data and Information Service), và cơ quan nghiên cứu đại dương, không khí (Office of Oceanic and Atmospheric Research)

Chương trình điều hành vệ tinh khí tượng NOAA được bắt đâu hoạt động vào những năm 1970 GOES-1, hệ NOAA đầu tiên của vệ tinh địa tĩnh học hoạt động ngày 16/10/1975 Hệ NOAA đầu tiên của vệ tinh môi trường quỹ đạo cực đầu tiên hoạt động tháng 07/1979 17 vệ tinh NOAA thiết lập ra các ứng dụng các dịch vụ quan sát không gian, tiên đoán môi trường và các dịch vụ liên quan khác

trường địa tĩnh học (GOES) dành cho các cảnh báo tầm ngắn, và các vệ tinh quỹ đạo cực (POES) cho việc tiên đoán môi trường tự nhiên lâu dài

NOAA là hệ vệ tinh thế hệ thứ 3 của vệ tinh khí tượng Hoa Kỳ Hệ thống TIROS-N (television and Infrared Observation Satellite) là thành phần chính điều khiển cho toàn bộ vệ tinh khí tượng, bao gồm hệ vệ tinh từ NOAA-A đến NOAA-

N Quỹ đạo NOAA đồng bộ quỹ đạo mặt trời và ở độ cao 830 – 870 km so với bề mặt trái đất Dữ liệu có thể nhận tùy theo hướng bay của vệ tinh, hướng từ cực Nam lên cực Bắc và hướng từ cực Bắc xuống cực nam

Hệ vệ tinh NOAA đang vận hành gồm NOAA-K, NOAA-L NOAA-M Các hệ

vệ tinh hiện nay cung cấp dữ liệu cho nhiều ngành nghiên cứu khoa học như trong

dự báo thời tiết, các hoạt động nghiên cứu về hải dương học, vật lý biển… Tùy theo các trạm mặt đất nhận dữ liệu vệ tinh mà dữ liệu thu được là khác nhau

3.2 Khung vệ tinh NOAA-KLM

Hệ thống HRPT là hệ thống truyền tải ảnh độ phân giải cao (High Resolution Picture Transmission), là giải pháp truyền tải vệ tinh NOAA ở tần số 665,400 bps Thời gian thực chuyển băng tần S bao gồm dữ liệu số chưa xử lý của 5 kênh AVHRR/3, cộng thêm dữ liệu TIP (HIRS/3, SBUV/2, SEM, DCS/2) và dữ liệu AMSU [6]

Hình 1- 10: Điều chế Split Phase 68 0 /-68 0

Error! Reference source not found mô tả tín hiệu vệ tinh NOAA điều chế

Split Phase Bit “1” được ở trạng thái -680 trong nửa chu kì đầu và 680 trong nửa chu kì sau Tương tự, bit “0” được ở trạng thái 680 trong nửa chu kì đầu và -680trong nửa chu kì sau

Bảng 1-1: Đặc tính kênh truyền HRPT

Kênh dữ liệu 5 transmitted, 6 available

Độ phân giải dữ liệu 1.1 km

Điều chế sóng mang Chia pha số, điều chế pha

Tần số truyền (MHz) Kênh chính 1698.0 hoặc 1707.0 MHz, kênh

phụ 1702.5 MHz và có khả năng thay đổi

Năng lượng truyền (EOL) 6.35 W (38.03 dBm)

Hình 1-11 và Bảng 1-3 mô tả cấu trúc khung vệ tinh NOAA và số lượng từ

mã trong một khung

Hình 1- 11: Cấu trúc khung vệ tinh NOAA-KLM

Bảng 1-3: Chi tiết số từ mã khung vệ tinh NOAA-KLM

Trong khung vệ tinh NOAA, Frame Sync, Spare Words và Auxiliary Sync chứa bit cố định Những từ mã này được sử dụng vào mục đích đồng bộ và phát hiện khung vệ tinh [6]

3.3 Các phương pháp thu tín hiệu vệ tinh NOAA

Tín hiệu vệ tinh truyền trong không gian chứa nội dụng của tín hiệu đó cũng như vị trí của nguồn phát tín hiệu Để thu được chính xác tín hiệu hữu ích, chúng ta cần phải loại bỏ tín hiệu không mong muốn Các bộ lọc có nhiệm vụ chỉ cho phép những tín hiệu ở những tần số nhất định đi qua và loại bỏ những tín hiệu ở những tần số khác Đối với những tín hiệu có cùng tần số nhưng xuất phát từ những hướng khác nhau cần hoạt động của anten Anten truyền thống sử dụng một phần tử đơn có khả năng phân biệt tín hiệu trong không gian, nó cho phép tín hiệu từ hướng nhất định đi qua và loại bỏ tín hiệu từ những hướng khác Hình 1-12 mô tả hoạt động của anten truyền thống Anten dạng Parabol quay đĩa theo hướng tới của nguồn phát tín hiệu Độ định hướng (Directivity) của anten phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng và tính chất vật lý và cấu trúc hình học của nó Tuy nhiên, hệ thống anten này cũng có một số nhược điểm Vì anten phụ thuộc hoàn toàn vào khả năng định hướng bằng

cơ học nên nó chỉ có thể bám theo duy nhất một hướng tín hiệu tại một thời điểm;

nó không thể thu cũng lúc theo nhiều hướng khác nhau Anten truyền thống không thể thay đổi hoạt động của nó vì nó cần phải thay đổi cấu trúc vật lý nên khả năng linh hoạt của anten truyền thống không cao

Hình 1- 12: So sánh anten đơn dạng Parabol (trái) và mảng anten thông minh

(phải) [1]

Ngược lại, mảng anten thông minh có thể giải quyết những khuyết điểm của anten truyền thống như hình trên Anten thông minh định hướng tới của nguồn tín hiệu hoàn toàn bằng điện tử (electronic directivity), hoàn toàn không có sự di chuyển cơ học của anten và không phụ thuộc vào cấu trúc mảng anten Hơn nữa, những phần tử anten kết hợp riêng biệt nên có thể thu tín hiệu từ nhiều hướng khác nhau

4 Kết luận chương

Để nghiên cứu sâu hơn các kỹ thuật được sử dụng trong dàn ăng ten thông minh, ta đi vào chi tiết phần cơ sở lý thuyết ở chương 2 Trong luận văn này, mục tiêu được đặt ra là sử dụng hệ thống anten thông minh để phát hiện thu nhận, giải điều chế tín hiệu vệ tinh NOAA với các thông số đã được cho ở trên

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Lý thuyết cơ bản hệ thống thu phát đa ăng ten

Kỹ thuật sử dụng hệ thống đa ăng ten để tăng tốc độ thu phát của hệ thống thông tin vô tuyến đã được nghiên cứu rất nhiều trong thập kỷ qua trở lại đây Hệ thống đa ăng ten thu – phát có thể sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để làm tăng độ tin cậy của việc truyền thông tin cũng như tăng dung lượng kênh truyền vô tuyến Các hệ thống ăng ten thông minh sử dụng các công nghệ thu phát đa ăng ten nhằm làm tăng chất lượng đường truyền vô tuyến và giảm nhiễu

Các công nghệ đa ăng ten được chú trọng nghiên cứu và phát triển từ những năm gần đây khi nhu cầu của việc tăng dung lượng đường truyền vô tuyến đang được chú trọng do nhu cầu truyền thông vô tuyến đang tăng trưởng mạnh mẽ Việc tăng chất lượng đường truyền đồng nghĩa với việc giảm ảnh hưởng của nhiễu tác động vào đường truyền, và đó chính là mục đích của các thiết kế ăng ten thông minh

Hệ thống đa ăng ten có thể được dung cho cả phần thu và phần phát Mã Alamouti được xem là mô hình phân tập phát đơn giảm nhất có thể được sử dụng và phân tập thu bao gồm nhiều phương thức kết hợp như khuếch đại cân bằng tỉ lệ tối

đa và chọn lọc Các phương thức truyền kết hợp đang được nghiên cứu rất sâu nhằm mục đích tăng độ tin cậy của việc truyền dữ liệu, trong đó có kỹ thuật Relay – với các đầu cuối được xem như vai trò của các trạm phát nhỏ Mục đích sử dụng các ăng ten phân tập trong trường hợp phát đa ăng ten là để tập gửi tín hiệu của cùng một thông tin cần truyền đi theo những kênh khác nhau thông qua những kênh độc lập khác nhau Nói một cách khác, hệ thống đã ăng ten có thể làm tăng mạnh dung lượng của đường truyền bằng cách gửi nhiều tín hiệu độc lập từ những ăng ten phát khác nhau Mô hình ghép không gian BLAST là một trong số những công nghệ sử dụng hệ thống đa Ăng ten để làm tăng dung lượng của kênh truyền

Thêm vào đó, kỹ thuật sử dụng ăng ten thông minh có thể làm tăng mạnh tốc

độ dữ liệu và tăng chất lượng của việc truyền thông vô tuyến vốn bị giới hạn bởi

nhiễu, tán xạ và các hiệu ứng đa đường Thông qua việc tạo ra mành phát xạ thích nghi sử dụng trọng số ăng ten, các ăng ten thông minh có thể làm tăng chất lượng đường truyền bằng cách tăng công suất tín hiệu nhận được và chống lại tác động của nhiễu

Bên cạnh đó, các kỹ thuật hiệu chuẩn trực tiếp cho các hệ thống ăng ten cũng được áp dụng vào các mô hình ăng ten để giảm lỗi sinh ra do biến dạng và tính không tuyến tính của các thành phần tạo tín hiệu cao tần trong hệ thống mảng ăng ten

Phân loại và đặc điểm

Dưới đây là cách phân loại cơ bản cho các loại kỹ thuật thu phát sử dụng đa ăng ten [2]

Hình 2- 1: Phân loại hệ thống thu-phát đa ăng ten

Nhìn chung, chúng ta có thể chia hệ thống thu phát đa ăng ten thành 2 loại:

- Hệ thống MIMO (Multi Input, Multi Output)

- Hệ thống Ăng ten thông minh

thống thông tin liên lạc; chúng ta đề cập đến phân tập thời gian, phân tập tần số, và phân tập không gian hay bất cứ kết hợp nào của ba loại phân tập này Trong phân tập thời gian, tín hiệu mang thông tin giống nhau được truyền trong các khe thời gian khác nhau, nơi độ lợi tốt có thể đạt được khi khoảng thời gian giữa hai khe, trong khoảng đó ký tự giống nhau được truyền đi, là lớn hơn thời gian kết hợp của kênh Trong phân tập tần số, tín hiệu mang thông tin giống nhau được truyền trên các sóng mang con khác nhau, nơi độ lợi phân tập tốt có thể đạt được khi khoảng cách giữa các sóng mang con lớn hơn băng tần kết hợp

Cuối cùng, trong phân tập không gian, tín hiệu mang thông tin giống nhau được truyền hoặc nhận qua các ăng ten khác nhau nơi độ lợi lớn nhất có thể đạt được khi sự tắt dần diễn ra trong kênh là độc lập (hay tương quan thấp).Tại máy thu, độ lợi phân tập có thể đạt được bằng kết hợp các tín hiệu dư thừa đến qua các kênh độc lập (hay tương quan thấp)

Hình 2- 2: Các phương thức ghép khi triển khai nhiều ăng ten truyền [2]

Phân tập MIMO có thể được sử dụng trong máy phát hoặc máy thu hay trong

cả hai, nhằm tăng độ tin cậy của trao đổi thông tin Sơ đồ ghép kênh không gian được biết đến nhiều nhất là họ BLAST, gồm Vertical-BLAST, DiagonalBLAST, và Turbo-BLAST BLAST là viết tắt của “Bell Laboratories Layered Space-Time”

2 Ăng ten thông minh (smart antenna)

2.1 Giới thiệu chung

Ăng ten thông minh ra đời vào những năm đầu thập kỷ 90 khi hệ thống mảng ăng ten thích ứng được phát triển từ hệ thống Radar Sau đó, kỹ thuật ăng ten thông minh đã được áp dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến [3]

Ý tưởng ban đầu của anten thông minh được phỏng theo hệ thống thính giác của con người Con người có thể xác định được hướng của nguồn âm thanh phát ra thông qua một quá trình gồm 3 giai đoạn:

- Hai tai của con người hoạt động như những cảm biến để nhận tín hiệu

- Bởi vì hai tai phân biệt với nhau cho nên mỗi tai sẽ nhận được tín hiệu với thời gian trễ khác nhau

Bộ não của con người, một bộ xử lý tín hiệu đặc biệt, thực hiện một khối lượng tính toán lớn để kết nối các tín hiệu này để tính toán ra vi trí của nguồn âm thanh đã nhận được Hệ thống mảng anten hoạt động giống như vậy với hai phần tử anten thay cho hai tai và một bộ xử lý số thay cho bộ não, rộng hơn đó là một thống anten gồm nhiều phần tử anten được bố trí trong không gian theo một trật tự nhất định, và kết nối với nhau thông qua một bộ xử lý Từ ý tưởng đó, mảng anten thông minh ra đời và ngày càng phát triển trong nhiều lĩnh vực, bao gồm ra đa, địa chất, y

tế và thông tin liên lạc Mỗi lĩnh vực bao gồm nhiều nghiên cứu về các phương pháp khác nhau cho xử lý tín hiệu của mảng anten

Hiện tại, các kỹ thuật ăng ten thông minh được đưa ra như một giải pháp cho các hệ thống thông tin vô tuyến trong tương lai như các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư, các mạng lưới truy cập vô tuyến băng thông rộng nơi nhiều kênh truyền vô tuyến của các dịch vụ cần tốc độ cao Kỹ thuật ăng ten thông minh có thể làm tăng tốc độ truyền dữ liệu và cải thiện chất lượng truyền vô tuyến mà bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiễu, tán xạ và hiệu ứng đa đường [1] Các ăng ten thông minh cung cấp các ứng dụng sau trong các hệ thống thông tin vô tuyến tốc độ cao [1]:

- Định hướng theo không gian

- Giảm nhiễu đồng kênh

- Sử dụng lại góc hoặc đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA)

- Ghép kênh theo không gian

Hệ thống ăng ten thông minh có thể được phân loại theo 3 nhóm chính:

- Hệ thống mảng ăng ten dịch pha

- Hệ thống chuyển mạch búp sóng

- Hệ thống các mảng ăng ten thích ứng

Để phù hợp với các đặc điểm ứng với các chuỗi kênh vô tuyến của bộ thu và

bộ phát cần phải có bộ hiệu chỉnh on-line trong hệ thống ăng ten thông minh Kỹ thuật hiệu chỉnh on-line có thể bù lỗi chẳng hạn như sự biến dạng của các thiết bị vô tuyến do các sự thay đổi nhỏ của môi trường, tính phi tuyến của bộ trộn, bộ khuếch đại và suy hao, bộ cân bằng các lỗi I/Q, v…v

2.2 Hệ thống mảng ăng ten

2.2.1 Cấu trúc mảng anten

Hệ thống mảng ăng ten thường được sử dụng trong tần số vô tuyến (RF) hoặc tần số trung tần (IF) với hệ thống có tần số trung tâm lớn hơn 10 GHz, chẳng hạn như hệ thống thông tin vệ tinh [1] Có 2 loại mảng dịch pha khác nhau hay còn được gọi là bộ tạo búp sóng là bộ tạo búp sóng miền thời gian và bộ tạo búp sóng miền tần số

Cấu trúc mảng anten rất đa dạng tùy theo từng mục đích sử dụng như: kiểu tuyến tính, vòng tròn, plannar,…

Hình 2- 3: Một số loại mảng anten

Với cấu trúc dạng tuyến tính, mảng anten bao gồm nhiều phần tử được đặt trên một đường thẳng sao cho khoảng cách giữa các phần tử bằng nhau Mảng anten này được gọi là ULA (Uniform linear array) Để đơn giản, mảng ULA được đặt trên trục

x của hệ trục tọa độ Đề Các Mô hình thu sóng của mảng tuyến tính được biểu diễn

trong hình 2-4 Khoảng cách giữa các phần tử anten xác định trễ lan truyền của sóng tới Nếu coi khoảng cách đó là d, ta có sẽ quan hệ giữa khoảng cách các phần tử với

2.2.2 Vector đáp ứng mảng (Array response vector)

Tín hiệu nhận được trên mỗi phần tử anten ULA sai khác nhau một khoảng thời gian nhất định phụ thuộc vào khoảng cách d giữa các phần từ cũng như góc tới

ϕ của tín hiệu Trễ lan truyền đó được tính theo công thức

Với c là tốc độ sóng (trong không khí xấp xỉ bằng vận tốc của ánh sáng)

Vì vậy, trễ lan truyền giữa phần tử thứ m và phần tử đầu tiên nhận được tín

2.2.3 Lấy mẫu không gian

Trước khi đưa vào bộ xử lý số, tín hiệu sẽ được lấy mẫu Tần số lấy mẫu cần phải đủ lớn để khôi phục dạng tín hiệu cũng như tránh nhiễu xuyên ký tự ISI Đối với xử lý tín hiệu không gian, lấy mẫu không gian sử dụng trên anten thông minh cung cấp khả năng thay đổi tính chất của bộ lọc rời rạc

Mảng ULA gồm các phần tử sắp xếp đồng đều trên trục tọa độ, vì thế các phần

tử lấy mẫu đồng đều trong không gian trên trục tọa độ đó Chúng ta có định nghĩa

về tần số lấy mẫu không gian Us

d là khoảng thời gian lấy mẫu không gian, là nghịch đảo của tần số lấy mẫu

Tương tự như định luật Nyquist về lấy mẫu rời rạc theo thời gian, tần số lấy mẫu không gian cũng phải đủ lớn để tránh méo tín hiệu Vì vậy, tần số lấy mẫu chuẩn hóa thỏa mãn − ≤ ≤ và góc tới thỏa mãn −90 ≤ ≤ 90 , nên khoảng cách giữa các phần tử anten thỏa mãn

≤2

Nếu giảm khoảng cách nhỏ hơn giá trị λ/2 gây ra thừa thông tin cũng như khó

khăn trong việc lựa chọn số lượng phần tử anten tối ưu nên chúng ta lựa chọn

d=λ/2

2.3 Hệ thống mảng Ăng ten thích ứng (AAA)

Ăng ten thích ứng ra đời từ 1959 Đó là công việc dành cho L C Van Atta’s work, Electromagnetic Reflection Từ đó, các kỹ thuật búp sóng tương thích đã được triển khai để làm giảm nhiễu và gây nhiễu từ cổng ra, chủ yếu trong các ứng dụng quân sự Với sự phát triển mạnh của công nghiệp thông tin vô tuyến và sự cải tiến của công nghệ vi điều khiển, các kỹ thuật búp sóng tương thích đã được ứng dụng trong thông tin vô tuyến Với những phần cứng xử lý tín hiệu số (DSP) tại băng gốc, thuật toán có thể điều khiển các búp sóng Ăng ten thích ứng với điều kiện môi trường của tín hiệu, tạo ra búp sóng theo các hướng mong muốn trong khi vẫn đảm bảo không tạo ra nhiễu đồng kênh Thêm vào đó, hiệu suất hệ thống được tối

ưu theo các tham số chất lượng đường truyền và dung lượng hệ thống

Mảng Ăng ten thích ứng có thể được ứng dụng tại bên phát, hay còn được gọi

là tạo búp sóng phát (transmit beamforming - TxBF) hoặc tại bên thu được gọi là tạo búp sóng thu (receive beamforming - RxBF)

2.4.1 Tạo búp sóng phát (TxBF)

Ứng dụng của kỹ thuật mảng ăng ten tương thích trong một đầu cuối cầm tay rất khó đối với các phần cứng hiện nay do sự hạn chế bởi kích thước, giá thành và dung lượng nguồn cấp lưu trữ bên trong, trong khi đó nó lại dễ dàng được ứng dụng mảng ăng ten tại các trạm gốc

Tạo búp sóng phát cung cấp phương pháp ưu việt làm tăng dung lượng kết nối đường xuống Lý tưởng nhất cho TxBF tương tự với kỹ thuật mã hóa trước trong MIMO nhưng khác biệt trong cách để tính toán vector trọng số truyền TxBF điều chỉnh búp sóng chính của ăng ten hướng đến người dùng cần thiết và giảm nhiễu đến những người dùng khác Mô phỏng đơn giản của TxBF được thể hiện trong

hình 2-6 bên dưới

Hình 2- 6: Mô hình tạo búp sóng phát

Thuật toán eigenvector TxBF [4]

Thuật toán Eignenvector TxBF được sử dụng phổ biến cho TxBF Eigenvector của ma trận kênh hiệp phương sai không gian được tính như sau

Rss = λH Trong đó, Rss là ma trận tự hiệp phương sai của của tín hiệu của một người sử dụng cho trước, H là ma trận kênh hiệp phương sai không gian Eigenvector λmax

mà tương ứng với giá trị eigen lớn nhất sẽ được lựa chọn là vector trọng số (công thức trên) Một ví dụ của mành búp sóng, cấu tạo gồm 4 thành phần mảng tuyến

tính như trong hình 2-17