Tối ưu hóa kiến trúc bộ thu trực tiếp cho các ứng dụng thông tin

Yêu cầu đặt ra là làm sao cải thiện được khả năng thu tín hiệu, tăng độ chính xác hệ thống, tối ưu thiết kế công suất tiêu thụ, giá thành…Một trong những câu trả lời cho yêu cầu trên là

LỜI NÓI ĐẦU

Chúng ta đang sống trong kỷ nguyên bùng nổ của công nghệ thông tin truyền thông Bạn có thể nói chuyện giao tiếp trao đổi văn bản, dữ liệu, video thoại với mọi người ở khoảng cách xa hàng chục nghìn km thậm chí dưới đất và trên tàu vũ trụ ở ngoài khí quyển Bạn có thể ngồi nhà nhìn rõ cả thế giới, thưởng thức những hình ảnh sắc nét chất lượng cao qua dịch vụ truyền hình vệ tinh Bạn có đang ở bất cứ đâu trên trái đất chỉ cần bạn cầm trong tay thiết bị thu GPS nhỏ xíu chúng tôi sẽ tìm ngay ra bạn Bạn

có đi đến chính xác vị trí cần đến dù bạn chưa mường tượng ra con đường sắp đi chỉ với bản đồ số được cài trên thiết bị di động của bạn… Tất cả đơn giản là bạn đang sống trong thời đại bùng nổ công nghệ truyền thông không dây Thời đại mà bất kì ai, bất kì đâu , bất kì lúc nào đều có thể hiện hữu của thông tin

Do đó hướng nghiên cứu phát triển của hệ thống thu phát trong tương lai là tất yếu, rộng mở Yêu cầu đặt ra là làm sao cải thiện được khả năng thu tín hiệu, tăng độ chính xác hệ thống, tối ưu thiết kế công suất tiêu thụ, giá thành…Một trong những câu trả lời cho yêu cầu trên là lời giải cho bài toán tối ưu hóa dựa trên nền tảng sẵn có, kết hợp với sự hỗ trợ của công nghệ mới để cải thiện chất lượng và hiệu năng sử dụng của các module trong hệ thống

Đây cũng là cơ sở để hình thành đề tài “Tối ƣu hóa kiến trúc bộ thu trực tiếp cho các ứng dụng thông tin”, vớinhiệm vụ đặt ra là nghiên cứu phần tử thu nhận tín

hiệu cơ bản trong bộ thu đổi tần trực tiếp, kết hợp sự hỗ trợ công nghệ phần mềm SDR để đưa ra mô hình tối ưu, từ đó áp dụng cho ứng dụng thông tin với lựa chọn là ứng dụng bộ thu trực tiếp cho hệ thống GPS Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, tuy không tránh khỏi khó khăn, sai sót nhưng dưới sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ

cô giáo PGS.TS.Nguyễn Thúy Anh và thầy giáo PGS.TS.Nguyễn Hữu Trung, kết quả

đồ án cũng đã thể hiện cơ bản nhiệm vụ đặt ra Em xin được chân thành cám ơn và mong sẽ nhận được thêm nhiều góp ý của thầy cô để đề tài có thể mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới nhằm đạt được kết quả tốt nhất

Hà nội, ngày 25 tháng 08 năm 2015

TÓM TẮT

Luận văn tập trung nghiên cứu “Tối ưu hóa kiến trúc bộ thu trực tiếp cho các ứng

dụng thông tin ”Với xu hướng phát triển mạnh công nghệ không dây trong tương lai,

việc tối ưu kiến trúc bộ thu là vô cùng quan trọng quyết định đáng kể chất lượng thông tin Luận văn đi sâu tìm hiểu kiến trúc bộ thu đặc biệt bộ thu trực tiếp cho các ứng dụng thông tin cụ thể máy thu GPS và đưa ra mô hình thích hợp nhất là công nghệ vô tuyến phần mềm SDR cho máy thu trực tiếpbởi tính linh hoạt của nó, chúng ta có thể tích hợp nhiều kĩ thuật, cập nhật các công nghệ mới và thay đổi các thông số khi cần thiết, do đó luận văn chia ra các chương như sau :

Chương 1: Hệ thống định vị toàn cầu GNSS và phương pháp xác định chính xác

Phần này cung cấp cho chúng ta kiến thức tổng quan hệ thống định vị toàn cầu GNSS, phân biệt cấu trúc tín hiệu GPS, Galileo xu hướng kết hợp hai kiến trúc này trình bày các phương pháp định vi chính xác

Chương 2 : Kiến trúc bộ thu trực tiếp

Cho ta cái nhìn tổng quan kiến trúc bộ thu, phân loại kiến trúc máy thu ưu nhược điểm mỗi loại và tìm hiểu các khối máy thu trực tiếp

Chương 3 : Tối ưu hóa kiến trúc bộ thu trực tiếp, mô hình SDR

Đưa ra các mô hình tối ưu kiến trúc bộ thu trực tiếp, phân tích mô hình thích hợp nhất

mô hình sử dụng công nghệ vô tuyến phần mềm SDR và khả năng tái cấu hình SDR

Chương 4 : Bộ thu trực tiếp GPS ứng dụng công nghệ vô tuyến phần mềm SDR

Đi sâu áp dụng công nghệ SDR cho từng khối cụ thể của máy thu trên nền phần cứng

cơ bản có thể lập trình được

Chương 5 : Mô phỏng tính toán khối dò sóng bộ thu trực tiếp ứng dụng SDR

Đưa ra thuật toán khối dò sóng máy thu GPS Thiết lập các tham số đầu vào mô phỏng khối dò sóng So sánh và kết luận

Cùng với đó , phần kết luận sẽ đưa ra đánh giá và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

ABSTRACT

Project focus research “Opitimization of direct-receiver architechture for communication applications ” With the strong development of wireless technology in the future, the optimal receiver architecture is extremely important decisions remarkable quality information Project research receiver architechture, special research direct-receiver architechture for communication applications specific GPS recerver Given the most appropriate model, is technological Software Defined Radio (SDR) We can integrate many techniques,update technologies and change parmeters

as quick as possible Therefore,project divided chapters as follows:

Chapter 1 : Global Positioning System GNSS and method positioning exactly

This section provides overview our Global Positioning System GNSS, distinctive architechture signal GPS, Galileo and present every method positioning exactly

Chapter 2: Architechture direct-recerver

Given us an overview of the architecture collection , sorting receiver architecture advantages and disadvantages each type and learn the receiver blocks directly

Chapter 3: Opitimization of direct-receiver architechture, technological SDR

Given the opitimization of direct-receiver architechture, analys model most appropriate model to use wireless technology SDR, and ability to re-configure SDR

Chapter 4 : Direct-receiver for GPS use technological SDR

SDR technology applied to each particular block of the receiver on the underlying hardware can be programmed

Chapter 5 : Simulation , calculationsDirect-receiver for GPS use SDR

Learn algorithm blocks acquisition of the GPS receiver Set the input parameters and simulation Compare and comment

Along with that , the conclusion will make an assessment and propose directions for further research

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

TÓM TẮT 2

ABSTRACT 3

DANG MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU 7

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 10

CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GNSS VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CHÍNH XÁC 11

1.1 Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu GNSS 11

1.1.1 Thành phần của hệ thống GNSS 15

1.1.2 Hoạt động cơ bản 17

1.2 So sánh hệ thống GPS và hệ thống Galileo, kết hợp GPS/Galileo 17

1.2.1 Cấu trúc tín hiệu GPS 17

1.2.2 Cấu trúc tín hiệu Galileo 20

1.2.3 Sự kết hợp GPS/Galileo 22

1.3 Phương pháp định vị chính xác 23

1.3.1Nguyên lý xác định vị trí hệ thống định vị GPS 23

1.3.2 Phép định vị tĩnh và phép định vị động 24

1.3.3 Phép định vị tương đối 25

1.3.4 Phép định vị nhiều máy thu 25

1.3.5 Phép định vị động tương đối 26

1.3.6 Cấu hình hình học GPS và độ chính xác 26

1.3.7 Độ suy giảm chính xác 27

CHƯƠNG 2 KIẾN TRÚC BỘ THU TRỰC TIẾP 28

2.1 Tổng quan kiến trúc bộ thu 28

2.1.1 Giới thiệu bộ thu trong ứng dụng thông tin vệ tinh 28

2.1.2 Phân loại máy thu theo kiến trúc, đặc điểm từng loại 29

2.1.3 Thông số đánh giá chất lượng máy thu 38

2.2 Kiến trúc bộ thu trực tiếp 39

2.2.1 Khối lọc thông dải BPF 40

2.2.2 Khối khuyếch đại tạp âm thấp LNA 40

2.2.3 Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự /số ADC 40

CHƯƠNG 3 : TỐI ƯU HÓA KIẾN TRÚC BỘ THU TRỰC TIẾP, MÔ HÌNH SDR 41

3.1 Các mô hình tối ưu bộ thu trực tiếp 41

3.2 Mô hình SDR 43

3.2.1 Tổng quan SDR 43

3.2.2 Tái cấu hình SDR 47

CHƯƠNG 4: BỘ THU TRỰC TIẾP GPS ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN PHẦN MỀM SDR 56

4.1 Anten và tiếp đầu ngoại vi 56

4.2 Khái quát hoạt động của một kênh máy thu GPS 59

4.3 Khối dò sóng 59

4.3.1 Mục đích 59

4.3.2 Dò sóng tuần tự 60

4.3.3 Dò sóng dò tìm pha mã song song 62

4.4 Khối theo dõi sóng mang và mã 64

4.4.1 Mục đích 65

4.4.2 Giải điều chế 65

4.4.3 Theo dõi sóng mang 67

4.4.4 Theo dõi mã 70

4.4.5 Sơ đồ khối theo dõi hoàn chỉnh 74

4.5 Xử lý dữ liệu định vị 75

4.5.1 Khôi phục dữ liệu định vị 75

4.5.2 Tính toán khoảng giả 76

4.5.3 Tính toán vị trí máy thu 79

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN KHỐI DÒ SÓNG BỘ THU TRỰC

TIẾP ỨNG DỤNG SDR 81

5.1 Bài toán đặt ra 81

5.2 Giải quyết bài toán 81

5.2.1 Thuật toán 81

5.2.2 Các thông số đầu vào 82

KẾT LUẬN 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

DANG MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU

Hình 1.1: Vệ tinh GPS 11

Hình 1.2: Vệ tinh GLONASS 12

Hình 1.3: Vệ tinh Galileo 12

Bảng 1: Bảng tín hiệu hệ thống GNSS 14

Hình 1.4: Hệ thống COMPASS 14

Hình 1.5: Vệ tinh NAVSTAR[3] 15

Hình 1.6 : Vị trí trung tâm điều khiển 16

Hình 1.7: Hệ thống GPS với 3 phân hệ[2] 17

Hình 1.8: Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS[2] 19

Hình 1.9: Cấu trúc tín hiệu vệ tinh[2] 19

Hình 1.10: Bảng mã C/A[2] 20

Hình 1.11: Cấu trúc tín hiệu Galileo 22

Hình 1.12 : Phương trình xác định vị trí dựa vào 4 vệ tinh 24

Hình 2.1 : Cấu trúc bộ thu GPS 29

Hình 2.2 Kiến trúc bộ ngoại sai trung tần kép truyền thống 30

Hình 2.3 Kiến trúc bộ ngoại sai trung tần số 31

Hình 2.4 Kiến trúc bộ thu (zero-IF) chuyển đổi trực tiếp 32

Hình 2.5 Kiến trúc bộ thu số trung tần thấp 34

Hình 2.6 Bộ thu lấy mẫu thông dải đồng nhất (UBPS) 36

Hình 2.7 Bộ thu lấy mẫu thông dải vuông góc (QBPS) 37

Hình 2.8 Kiến trúc bộ thu trực tiếp 39

Hình 3.0 : Khối LNA [10] 42

Hình 3.1 Kiến trúc SDR tổng quát 44

Hình 3.2 Phổ di động sử dụng ở châu Âu ( theo nguồn Jondral, 1999) 46

Hình 3.3 Khung ngữ cảnh tái cấu hình 50

Hình 3.4 Kiến trúc chức năng [8] 51

Hình 4.1 Kiến trúc bộ thu GPS truyền thống và bộ thu GPS SDR 56

Hình 4.2 Anten và tiếp đầu ngoại vi 57

Hình 4.3 Một kênh máy thu 59

Hình 4.4 Sơ đồ khối của thuật toán dò sóng tuần tự 60

Hình 4.5 Đầu ra của dò sóng tuần tự 61

Hình 4.6 Sơ đồ khối của thuật toán dò tìm pha mã song song 63

Hình 4.7 Đầu ra dò sóng dò tìm pha mã song song 64

Hình 4.8 Sơ đồ giải điều chế bản tin định vị 65

Hình 4.9 Sơ đồ khối mạch vòng theo dõi trong máy thu GPS cơ bản 67

Hình 4.10 Mạch vòng Costas sử dụng để theo dõi sóng mang 68

Bảng 4.1 Các loại bộ phân biệt vòng khóa pha Costas khác nhau 69

Hình 4.11 Các đáp ứng bộ phân biệt vòng khóa pha Costas thông thường 69

Hình 4.12 Đồ thị sai pha giữa sóng mang đầu vào và bản sao sóng mang cục bộ 70 Hình 4.13 Sơ đồ khối mạch vòng theo dõi mã cơ bản 71

Hình 4.14 Tín hiệu trong theo dõi mã 71

Hình 4.15 Sơ đồ khối DLL với sáu bộ tương quan 72

Hình 4.16 Đầu ra của sáu bộ tương quan trong các nhánh đồng pha và vuông pha của vòng theo dõi 73

Hình 4.17 Đầu ra của sáu bộ tương quan trong các nhánh đồng pha và vuông pha của vòng theo dõi Sóng mang cục bộ đồng pha với tín hiệu vào 73

Hình 4.18 Sơ đồ khối của sự kết hợp các vòng theo dõi DLL và PLL 74

Hình 4.19 Sơ đồ khối của một kênh theo dõi hoàn chỉnh trong máy thu GPS 75

Hình 4.20 Hình minh họa đầu ra của khối theo dõi như các điểm 76

Hình 4.21 Tương quan giữa 12s dữ liệu với trường mở đầu 77

Hình 4.22 Thời gian truyền dẫn và điểm bắt đầu khung con cho bốn kênh 77

Bảng 4.2 Các khoảng giả ban đầu cho tất cả các vệ tinh đƣợc theo dõi 78

Hình 5.1.Biểu đồ luồng thuật toán dò tìm pha mã song song 82

Hinh 5.2: Hoàn chỉnh mô phỏng tín hiệu GPS cho một vệ tinh thực hiện trong Simulink 84

Hình 5.3: Các tín hiệu GPS giả thực hiện trong Simulink 85

Hình 5.4 Các vệ tinh đƣợc tìm thấy sau khi dò sóng 86

Hình 5.5: Các thông số cần thiết của quá trình dò sóng 87

Hình 5.6: Kết quả dò đƣợc của vệ tinh số 10 88

Hình 5.7 Kết quả dò đƣợc của vệ tinh số 13 88

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

GNSS Global Navigation Satellite System Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

GLONASS G OrbitingNavigationSatelliteSystem Hệ thống định vi toàn cầu Liên xô CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số QBSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha cầu phương

PRN Pseudo random noise Nhiễu giả ngẫu nhiên

IF Intermediate Frequency Trung tần

BPF Bandpass Filter Bộ lọc thông dải

SSB Baseband Băng cơ bản

ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự số

LO Local Oscillator Bộ tạo dao động nội

LPF Low pass filter Bộ lọc thông thấp

BER Bit Error Rate Tốc độ lỗi bit

LNA Low noise Ampliper Trung tâm truyền thông quả

SDR Software-Defined Radio Công nghệ vô tuyến phần mềm QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

FPGA Field programmable gate array Vi mạch có khả năng lập trình được DSP Digital signal processor Bộ xử lý tín hiệu số

MIMM Mode Identification and Monitoring

Module Phân hệ xác định và giám sát mode

MNSN Mode Negotiation and Monitoring

Module Phân hệ đàm phán và giám sát mode SDM Service Deployment Manager Bộ quản lý triển khai dịch vụ

JRRM Joint Radio Resource Management

VHE Virtual Home Environment Môi trường nội ảo

CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GNSS VÀ

PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CHÍNH XÁC 1.1Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu GNSS

Trên quỹ đạo có những hệ thống vệ tinh nhân tạo với nhiệm vụ là xác định vị trí của những đối tượng trên mặt đất Bất cứ ai, vật gì trên toàn cầu, khi mang theo một máy thu đặc biệt thì nhờ hệ thống vệ tinh này có thể biết được khá chính xác hiện tại mình đang ở vị trí nào trên trái đất Người ta gọi đây là Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite System ).GNSS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên trái đất, 24h một ngày GNSS là tên gọi chung cho 3 hệ thống định

vị dẫn dường sử dụng vệ tinh:

GPS: tên gọi GPS (Global Positioning System) dùng để chỉ hệ thống định vị toàn cầu do Bộ quốc phòng Mỹ thiết kế và điều hành, thường gọi GPS là NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System) GPS bao gồm 28 vệ tinh chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo) GPS so với mặt đất vào khoảng 20.200 km (Wikipedia, 2006) Được chế tạo đưa vào sử dụng 1994

Hình 1.1: Vệ tinh GPS

GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System): là hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu, do Liên bang Xô Viết (cũ) thiết kế và điều hành Ngày nay hệ thống GLONASS vẫn được Cộng hòa liên bang Nga tiếp tục duy trì hoạt động Hệ thống GLONASS bao gồm 30 vệ tinh chuyển động trong 3 mặt phẳng quỹ đạo.(nghiêng 64.8 độ so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh trái đất với bán kính 25.510 km (Yasuda, 2001) Được chế tạo và đưa vào sử dụng năm 1995

Hạng mục GPS GLONASS GALILEO

Tần số sóng mang

L1: 1575.42 MHz L2: 1227.60 MHz L5: 1176.45 MHz

G1: 1602 + Kx0.5625 MHz

G2: 1246 + Kx0.5625 MHz

K = –7~24 G2 = G1x7/9

E1: 1589.742 MHz E2: 1561.098 MHz E5: 1202.025 MHz E6: 1278.75 MHz C1: 5019.86 MHz

Độ dài mã số

1023 bit 2.35x1014

511 bit

5110000

N/A

Tốc độ mã số (C/A

L1, P L1, L2)

1.023 Mcps 10.23 Mcps

0.511 Mcps 5.11 Mcps

E1, E2: 2.046 Mcps E5: 10.23/1.023 Mcps

E6: 20.46 Mcps

Sai số chủ định SA (đã bỏ 2000) Không có Không có

Thông điệp dẫn đường (navigation messages)

Ephemeris Yếu tố quỹ đạo Vị trí, tốc độ và gia tốc

BPSK: 50 bps

QBSK E1, E2, C: 300 bps E5: 330 bps

E6: 2500 bps

Chu kỳ dữ liệu 12 phút 30 giây 2 phút 30 giây -

Định dạng dữ liệu 30 bit / từ 100 bit / string -

là "Bắc Đẩu 1", bao gồm 3 vệ tinh và có giới hạn bao trả và các ứng dụng Nó đã được cung cấp dịch vụ chuyển hướng chủ yếu cho các khách hàng ở Trung Quốc và từ các vùng lân cận từ năm 2000

Thế hệ thứ hai của hệ thống, được gọi là COMPASS hay Bắc Đẩu 2, sẽ là một

hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu bao gồm 35 vệ tinh, vẫn còn đang được tạo dựng Nó

đã hoạt động với phạm vi toàn Trung Quốc trong tháng 12 năm 2011 Hệ thống sẽ cung cấp dịch vụ cho khách hàng trong khu vực châu Á-Thái Bình Dương vào năm

2012 và các hệ thống toàn cầu sẽ được hoàn thành vào năm 2020, sau khi sở hữu 35 vệ tinh Bắc Đẩu tương thích với hệ thống định vị GPS của Mỹ, hệ thống GALILEO của châu Âu và hệ thống GLONASS của Nga Nó cho phép người sử dụng định vị chính xác trong phạm vi 10 m, đo tốc độ từ 200 cm/giây trở lên và cung cấp thông tin về thời gian với sai số chỉ là 2 phần trăm triệu giây

Hình 1.4: Hệ thống COMPASS

km Quỹ đạo chuyển động của vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất là quỹ đạo tròn,

24 vệ tinh nhân tạo chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ đạo Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào

Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời Chúng có các nguồn pin dự phòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng Mặt Trời Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định

Hình 1.5: Vệ tinh NAVSTAR[3]

Nhiệm vụ :

- Liên tục phát quảng bá các bản tin dẫn đường trên tín hiệu vệ tinh đến máy thu GPS (mang thông tin vị trí của vệ tinh và thời điểm phát bản tin)

- Duy trì thời gian tham chiếu với độ chính xác cao (sai số từ 10-12 đến 10-14s)

- Nhận và lưu trữ các thông tin từ trạm điều khiển mặt đất

- Thực hiện hiệu chỉnh quỹ đạo vệ tinh và sai số đồng hồ

 Phần điều khiển :

Phần điều khiển là để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũng như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh hệ thống GPS Phần điều khiển có 5 trạm quan sát có nhiệm vụ như sau:

 Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh liên tục

 Quy định thời gian hệ thống GPS

 Dự đoán dữ liệu lịch thiên văn và hoạt động của đồng hồ trên vệ tinh

 Cập nhật định kỳ thông tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể

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 cung cấp thông tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ thời điểm nào

Hình 1.6 : Vị trí trung tâm điều khiển

 Phần người sử dụng :

Phần người sử dụng bao gồm tất cả các khách hàng có máy thu GPS Các bộ thu GPS

có thể là các máy ở dạng đơn chiếc gọn nhẹ, loại bỏ túi hoặc đeo tay như đồng hồ, có thể là những bộ thu gồm nhiều chiếc, cho phép xác địng vị trí tương hỗ giữa các điểm với sai số cỡ cm, thậm chí đến mm với khoảng cách vài ba chục, vài ba trăm đến hàng ngàn km Bộ thu bao gồm:

 Phần cứng( theo dõi tín hiệu và trị đo khoảng cách)

 Phần mềm( các thuật toán, giao diện người sử dụng)

Máy thu GPS phải khóa được với tín hiệu của ít nhất ba quả vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động của vệ tinh Với bốn hay nhiều hơn số lượng vệ tinh hiện diện trong tầm nhìn, máy thu có thể tính được vị trí

ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính thêm các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, khoảng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thông tin khác nữa

1.2So sánh hệ thống GPS và hệ thống Galileo, kết hợp GPS/Galileo

1.2.1 Cấu trúc tín hiệu GPS

Để có thể định vị hoặc tìm vị trí của người sử dụng với GPS thì đòi hỏi cần phải hiểu về cấu trúc tín hiệu GPS và phương pháp đo đạc được thực hiện Hơn thế nữa, khi tín hiệu GPS được thu thông qua bộ thu GPS, hiểu về khả năng và những giới hạn của

các dạng bộ thu GPS khác nhau là điều cần thiết Ngoài ra, khi đo lường GPS, giống như tất cả những sự đo lường khác, đều có lỗi, mà có thể được loại bỏ hoặc giảm thiểu bằng cách kết hợp nhiều sự quan sát GPS khác nhau

Mỗi vệ tinh GPS đều phát đi tín hiệu vô tuyến được tạo thành từ hai tần số sóng mang (hoặc là sóng sin); hai thành phần sóng mang này dùng để điều chế hai bộ mã và một thông điệp điều hướng Hai tần số sóng mang được phát tại 1,575.42 Mhz (L1) và 1,227.60 Mhz (L2) Bước sóng tương ứng lần lượt là ~ 19 cm và ~24.4 cm, xác định được kết quả này là từ mối quan hệ giữa tần số sóng mang và tốc độ của ánh sáng trong không gian Lợi ích từ hai tần số sóng mang cho phép điều chỉnh một lỗi GPS nghiêm trọng, gọi là trì hoãn tầng điện ly Tất cả những vệ tinh GPS đều phát cùng một cặp tần số sóng mang L1 và L2 Tuy nhiên, điều chế mã thì khác nhau đối với từng vệ tinh, do đó tối thiểu hóa một cách đáng kể can nhiễu vệ tinh

o L1 = 154 • 10.23 = 1575.42 Mhz

o L2 = 120 • 10.23 = 1227.60 Mhz

Hai bộ mã GPS được gọi là Coarse Acquisition (hoặc là mã C/A) và Precision (hoặc là mã P) Mỗi mã bao gồm một chuỗi những bit nhị phân, 0 và 1 Thông thường những mã này gọi là mã PRN bởi vì bề ngoài chúng trông như là những tín hiệu ngẫu nhiên Nhưng sự thật, những mã này được phát ra dựa vào công thức toán học Hiện tại

mã C/A được điều chế chỉ duy nhất trên sóng mang L1, trong khi mã P được điều chế trên cả sóng mang L1 và L2 Sự điều chế này được gọi là điều chế Biphase(BPSK) vì pha sóng mang bị dịch đi 180 khi mà giá trị mã thay đổi từ 0 sang 1 hoặc từ 1 sang 0

Mã C/A là một chuỗi bao gồm 1023 bit nhị phân mà lặp lại chính nó trong mỗi ms.Điều này có nghĩa rằng tốc độ bit của mã C/A là 1.023 Mbps.Như vậy khoảng thời gian của một bit xấp xỉ khoảng 1ms.Mỗi vệ tinh được gán với chỉ một mã C/A duy nhất ,điều này làm cho bộ thu GPS có thể nhận dạng được vệ tinh dễ dàng.Đo lường mã C/A ít chính xác hơn khi so sánh một cách tương đối với sự đo lường mã P.Tuy nhiên,nó thì ít phức tạp hơn và sẵn dùng với tất cả mọi người

Mã P là một chuỗi rất dài bao gồm nhiều bit nhị phân mà lặp lại chính nó sau 266 ngày Ngoài ra, tốc độ của nó thì nhanh hơn 10 lần so với mã C/A (tốc độ của nó 10.23 Mbps) Thực hiện phép nhân thời gian mà mã P cần để lặp lại chính nó, 266 ngày, với tốc độ của nó là 10.23Mbps, cho ra kết quả: chiều dài của chuỗi mã P là 2.35*10bit Mãdài 266

ngày này được chia thành 38 đoạn; mà mỗi đoạn dài 1 tuần Trong đó, 32 đoạn được gán đến những vệ tinh GPS khác nhau Đó là, mỗi vệ tinh phát đi chỉ duy nhất một đoạn dài 1 tuần của mã P, mà được khỏi phát vào thời điểm giao nhau giữa thứ bảy và chủ nhật Sáu đoạn còn lại được dự trữ dùng trong những việc khác Một vệ tinh GPS được nhận dạng bởi một phân đoạn 1 tuần duy nhất được gán cho nó trong mã P

Hình 1.8: Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS[2]

Hình 1.9: Cấu trúc tín hiệu vệ tinh[2]

Hình 1.10: Bảng mã C/A[2]

1.2.2 Cấu trúc tín hiệu Galileo

Hệ Galileo là một dự án để làm một hệ định vị toàn cầu bằng vệ tinh Hệ định vị làm

ra đầu tiên và hiện nay hoạt động phổ biến trên thị trường là của Mỹ mà ta thường gọi

là GPS Còn hệ Galileo là cơ quan không gian châu Âu đang phát triển Galileo gồm

có 30 vệ tinh phân phối thành 3 nhóm bay theo 3 quỹ đạo hình tròn quanh trái đất và ở

độ cao khoảng 24000 km Chỉ có 27 vệ tinh của Galileo là hoạt động thực sự, 3 vệ tinh còn lại là vệ tinh dự phòng để thay thế cho vệ tinh nào hỏng, nhằm làm tăng độ tin cậy của hệ định vị Hệ Galileo hoạt động trên những giải tần số khoảng 1250 MHz và 1570 MHz Những giải tần số vô tuyến này được chọn để thích hợp với những giải tần số của hệ GPS (Global positioning system) nhằm hoạt động cùng với GPS và cũng để tránh xâm phạm vào những giải tần số dành riêng cho các nhà Thiên văn vô tuyến dùng để nghiên cứu những bức xạ vũ trụ Bởi vì sự đo đạc thời gian phát tín hiệu vô tuyến từ các vệ tinh và thời gian thu tín hiệu tại các trạm trên mặt đất cần phải thật chính xác nên các vệ tinh cũng như các trạm trên trái đất phải được trang bị đồng hồ nguyên tử và các đồng hồ phải khớp với nhau để quản lý toàn bộ hệ Galileo Hai trung

tâm điểu khiển vệ tinh được đặt tại châu Âu và hàng chục trạm phát và thu tín hiệu được đặt rải rác trên toàn cầu

Cho tới nay có 2 hệ thống định vị toàn cầu bằng vệ tinh, đó là hệ GPS của Mỹ và hệ GLONASS của Nga Cả hai đề án này đã được đề xuất từ trong thời kỳ chiến tranh lạnh để phục vụ trong lĩnh vực quân sự và cả hai đều gồm có 24 vệ tinh GPS đuợc đưa vào hoạt động từ những năm 1980 và được sử dụng bởi quân đội Hoa Kỳ để điều khiển tên lửa hoặc để xác định vị trí các đơn vị trên chiến trường Từ năm 1993 bộ quốc phòng Mỹ bắt đầu cho phép các cơ quan dân sự sử dụng GPS Từ những năm

1990 Nga cũng khai thác hệ GLONASS của họ, với mục tiêu quân sự Tuy nhiên do tình huống kinh tế không được khả quan sau khi Liên xô trở thành liên bang Nga cho nên hệ GLONASS không hoạt động có hiệu quả, chỉ có 7 trên 24 vệ tinh hãy còn hoạt động Do đó trong vòng mươi năm nay chỉ có hệ GPS của Mỹ là hoạt động dường như độc quyền trên thị trường công nghệ định vị và hướng dẫn giao thông bằng vệ tinh

Để chấm dứt tình huống phải phụ thuộc vào GPS của Mỹ, năm 2002 cộng đồng châu

Âu đã quyết định thực hiện dự án Galileo Những vệ tinh đầu tiên của hệ Galileo được phóng năm 2006 Vệ tinh được phóng bằng tên lửa Ariane V của Cộng đồng châu Âu

và hoạt động được trong 18 năm

Số vệ tinh của Galileo lớn hơn là số vệ tinh của GPS và của GLONASS nên có độ chính xác cao hơn Galileo là một dự án hoàn toàn dân sự và ứng dụng của Galileo rất

đa dạng Ngày nay với những hệ định vị bằng vệ tinh như Galileo, sự xác định tọa độ rất là chính xác, không sai quá vài mét Galileo cũng như GPS được dùng để hướng dẫn máy bay Xe hơi hiện nay thường được trang bị hệ định vị để được hướng dẫn đến nơi đến chốn, người lái xe không cấn nhìn bản đồ Những nhà mạo hiểm ở những nơi hẻo lánh cũng có thể được cứu trợ nhanh chóng và các vụ cháy rừng cũng được dập tắt nhanh chóng Việt Nam cũng đã có công trình ứng dụng công nghệ GPS để đo đạc bản

đồ Và những đồng hồ ngyên tử của hệ định vị còn cung cấp giờ chính xác cho các nhà thiên văn để họ quan sát các thiên thể

Hệ Galileo không những sẽ không cạnh tranh với GPS mà còn bổ sung cho nhau bằng cách cung cấp những dữ liệu đôi khi dư thừa và do đó đáng được tin cậy Tuy nhiên hệ GPS không sử dụng được tại những vùng Bắc cực và Nam cực ở những vĩ tuyến quá cao Với hệ Galileo chúng ta có thể bắt được tín hiệu của Galileo tại cả 2 vùng này

Nhờ có đồng hồ nguyên tử chính xác đặt trên những vệ tinh để xác định thời gian và nhờ có nhiều vệ tinh nên hầu như ở bất cứ địa điểm nào trên trái đất và bất cứ lúc nào cũng có thể bắt được tín hiệu của Galileo Nếu cần Galileo cũng có thể hoạt động phối hợp với những vệ tinh của GPS

Thời gian tín hiệu phát từ những vệ tinh đến trái đất cũng có thể bị thay đổi khi truyền qua tầng khí quyển Tuy nhiên những sự sai lệch này tuy rất ít, được loại ra bằng tính toán thì độ sai lệch của sự đo đạc vị trí chỉ còn vài cm

Các vệ tinh Galileo sẽ truyền 10 tín hiệu khác nhau theo các băng tần : E5a và E5b (1164-1215 MHz),E6 (1620-1300) và E1-L1-E2(1559-1592)

Hình 1.11: Cấu trúc tín hiệu Galileo

1.2.3 Sự kết hợp GPS/Galileo

Năm 1998 Cục hàng không châu Âu và Ủy ban liên minh châu Âu quyết định cùng nhau nghiên cứu tính khả thi của GNNS châu Âu độc lập thực sự.Chương trình tên là Galileo được phê duyệt lần đầu tiên vào năm 1999.Bên cạnh việc được độc lập,Galileo được kỳ vọng đưa ra độ chính xác lớn hơn,tính toàn vẹn cao hơn,lợi ích nhiều hơn và tính liên tục của các dịch vụ lớn hơn so với các hệ thống hiện nay Mặc dù bản chất công dụng kép của bất kỳ hệ thống GNSS nào,Galileo được chú trọng chỉ cho các ứng dụng dân sự.Nó được xem như là chương trình dân sự nằm dưới sự điều khiển phi

quân sự.Các vệ tinh Galileo sẽ truyền 10 tín hiệu khác nhau theo các băng tần : E5a và E5b (1164-1215 MHz),E6 (1620-1300) và E1-L1-E2(1559-1592).Sáu tín hiệu được dành cho dịch vụ dân sự(open service) và dịch vụ an toàn cuộc sống(safety of life),hai tín hiệu cho người dùng thương mại và duy trì hai tín hiệu cho cá nhân chính thức/điều chỉnh (dịch vụ qui định công cộng).Sau khi phân tích tín hiệu của hệ thống dẫn đường GPS và Galileo,có thể xem như việc có hai băng tần ở hai hệ thống gửi đi đồng thời bản tin dẫn đường:GPS L1 với Galileo E1-L1-E2 và GPS L5 với Galileo E5 (hình 2-7).Một thiết bị đầu cuối đa chuẩn GPS/Galileo có thể nhận tín hiệu từ một hoặc cả hai băng tần và có thể cung cấp vị trí với một hoặc cả hai hệ thống tại cùng một thời điểm

Người sử dụng sẽ được lợi hơn từ máy thu đa chuẩn GPS/Galileo về chất lượng,

độ chính xác và tốc độ các ứng dụng thông tin từ nó Đây cũng chính là hướng nghiên cứu mới trong thời gian gần đây sau khi hệ thống Galileo đi vào hoạt động

1.3 Phương pháp định vị chính xác

1.3.1Nguyên lý xác định vị trí hệ thống định vị GPS

- Căn cứ của việc xác định vị trí chính xác của mục tiêu là độ chính xác của thông số thời gian nên việc xác định khoảng cách tương đương với việc đo thời gian

- Mỗi vệ tinh gửi ví trí của mình và thời điểm chính xác gửi bản tin gửi dẫn đường

- Máy thu GPS nhận tín hiệu từ vệ tinh xác định vị trí vệ tinh và thời gian nhận được bản tin dẫn đường từ máy thu

- Máy thu GPS tính toán thời gian truyền tín hiệu dựa vào sự chênh lệch giữa thời điểm phát và thu tín hiệu

- Vị trí máy thu trên hệ tọa độ địa lý và thời gian được tính toán bởi 4 vệ tinh trong tầm quan sát

Hình 1.12 : Phương trình xác định vị trí dựa vào 4 vệ tinh

1.3.2 Phép định vị tĩnh và phép định vị động

Hệ GPS có thể được dùng để định vị các vật thể tĩnh tại hoặc các vật thể chuyển động Mặc dù trị quan trắc là như nhau, nhưng trên thực tế do ăngten tĩnh hoặc động khác nhau nên dãn đến những khác nhau rất lớn

Nếu ăngten cố định chúng ta có thể quan trắc nhiều cự li đến vệ tinh khác nhau, việc làm này cho phép ta có những trị đo dư thừa, giải nghiệm từ nhiều trị đo và nhận được độ chính xác cao của vị trí được xác định Khi ăngten chuyển động chúng ta chỉ

có thể nhận được những chỉ định (Fix) tức thời, (thông thường từ 4 cự ly được quan trắc đồng thời hoặc gần như đồng thời) không có số đo dư thừa

Trong trường hơp định vị tĩnh, chúng ta có thể nhận được hoặc là một kết quả theo thời gian thực, trong đó môĩ trị quan trắc mới đều được sử lý sao cho có thể cải thiện được trị toạ độ vị trí đã được xác định trước đó, hoặc là các trị quan trắc có thể được xử lý sau khi kết thúc công tác ngoài trời.Chúng ta gọi là nghiệm xử lý sau (postprocessed solution)

Trong phép định vị động, thường người ta cũng tìm kiếm nghiệm theo thời gian thực, nhưng nghiệm này chỉ bao gồm một vị trí ( Fix ) tại một thời điểm Một

chuỗi các kết quả tại những chỉ định này ( lộ trình rời rạc của phương tiện lưu thông )

có thể được xử lý bằng cách sử dụng một trong số những thủ thuật tiếp cận bằng đường cong trơn

1.3.3 Phép định vị tương đối

Khi đòi hỏi trị đo có độ chính xác cao, cần phải sử dụng phép định vị tương đối Trong kiểu đo này, hai ăngten cùng hai máy thu tương ứng được đặt tại hai đầu của cạnh cần quan trắc và phải làm việc đồng thời Sở dĩ có thể đạt được độ chính xác cao trong kiểu đo này là vì một số sai số tích luỹ trong các cự ly quan trắc thường đồng nhất với nhau hoặc tối thiểu cũng tương tự nhau tại hai đầu của đường đáy Các sai số này có thể được loại trừ hoặc ít nhất cũng giảm một cách đáng kể khi xác định trị số định vị tương đối

Một kiểu định vị tương đối đặc biệt hấp dẫn, lần đầu tiên được Ben Remondi thuộc Cục Đo đạc trắc địa Mỹ đề xuất, là kiểu định vị tương đối dạng bán động (relative semi kinematic positioning) Ý tưởng của kiểu đo này là sử dụng một máy tĩnh vàmột máy di động lang thang xung quanh Nếu không xuất hiện trị số trượt chu

kỳ trong các máy thu thì có thể liên tục đảm bảo độ chính xác tốt hơn 1 chu kỳ (20 cm) của tín hiệu phase phách sóng mang trong các trị số định vị tương đối giữa máy thu tĩnh và máy thu lang thang Kiến nghị này có hai ngụ ý:

* Các ứng dụng định vị động có thể lợi dụng độ chính xác cao hơn nhiều của số

đo sóng mang, thay vì bị hạn chế trong độ chính xác của số đo mã

* Mở ra một phạm vi rộng hơn trong ứng dụng phép định vị GPS: lập tam giác ảnh hàng không không dùng đến những điểm khống chế mặt đất

1.3.4 Phép định vị nhiều máy thu

Độ chính xác của các kết quả đo sẽ được cải thiện một cách đáng kể khi một số máy thu được triển khai dưới dạng một mạng lưới định vị Nói chung, một mạng lưới luôn có cấu hình mạnh hơn về mặt hình học so với một cạnh đo vì có số đo dư thừa - các cạnh đo trong lưới cần phải thoả mãn những điều kiện được xác định bằng phương pháp hình học Các trị đo dư thừa được dùng để kiểm soát ảnh hưởng của những sai số khác nhau, bao gồm sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống trong các trị quan trắc Chúng

ta để ý thấy rằng ngay cả khi chỉ có 2 máy thu cũng nên liên kết các cạnh đáy thiết kế thành các mạng lưới, có như thế mới cải thiện được độ chính xác của các trị số định vị

Khi triển khai nhiều máy thu, người ta phải đối đầu với những qui luật khác thường, liên quan đến phần lưới mà trên đó các máy thu đang hoạt động và liên quan đến các giai đoạn quan trắc trên từng trạm riêng biệt Trong hoàn cảnh như vậy, người

ta cần phải đặc biệt chú ý thực hiện tối ưu hoá lịch đo để đạt độ chính xác tốt nhất bằng những công cụ rẻ tiền nhất

1.3.5 Phép định vị động tương đối

Nếu cần phải xác định vị trí chuyển động với độ chính xác cao thi các phép định vị điểm mô tả trước đây có thể không đủ sử dụng Khi đó, cần phải dùng tới khái niệm định vị phân sai (differential) tương đối ý tưởng chính của phép đo này là dùng một ăngten tĩnh tại làm điểm tham chiếu Sau đó, máy thu các ăngten tĩnh tại truy cập những vệ tinh giống như những vệ tinh đang được máy thu có ăngten chuyển động truy cập (tốt nhất là truy cập tất cả các vệ tinh nhìn thấy được) Độ chính xác được coi

là phụ thuộc vào vị trí của máy tĩnh tại và sự hoạt động của đồng hồ Sở dĩ có sự khác nhau (tức sai số khép độ dài) giữa những cự li đo tới các vệ tinh và những cự li tính được từ vị trí "biết trước" của máy thu tĩnh tại và đồng hồ và sở dĩ có sự biến đổi trông thấy trong vị trí của máy thu tĩnh tại là do có những biến động tức thời trong thông tin quỹ đạo trong giá trị thời gian trễ do khí quyển và trong hoạt động của đồng hồ

Người ta truyền khoảng lệch vị trí (Position offset) hoặc sai số khép độ dài tới máy thu chuyển động thông qua việc nối thông tin liên lac trong thời gian thực Kết quả của các nghiên cứu cho tháy rằng người ta nhận được những kết quả tốt hơn và việc bổ sung số liệu chỉnh cũng dễ dàng hơn khi dùng sai số khép độ dài thay cho khoảng lệch vị trí Số hiệu chỉnh thời gian thực này đã nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của phép định vị động

Máy thu tĩnh tại có thể được coi là một vệ tinh giả đặt trên bờ để truyền tín hiệu

và thông báo đã được mã hoá bằng cùng một cách giống như những gì đã được truyền qua vệ tinh

Range Error) thể hiện ảnh hưởng tổng hợp của tính thiếu tin cậy của lịch thiên văn, sai

số truyền sóng, sai số đồng hồ đo thời gian và nhiễu trong máy thu

Ảnh hưởng của cấu hình hình học vệ tinh được thể hiện bằng các suy giảm chính xác DOP (Dilution of Precision) và được tính bằng tỉ số giữa độ chính xác định

vị và độ chính xác đo, hoặc:  = DOP o

Trong đó o là độ chính xác của trị số đo (độ tán xạ tiêu chuẩn)

 là độ chính xác định vị (độ tán xạ tiêu chuẩn trong một trị số tọa độ)

DOP là một trị số vô hướng thể hiện tác động của cấu hình hình học đối với độ chính xác của vị trí điểm Có nhiều trị số DOP khác nhau, tùy thuộc chúng ta quan tâm

độ chính xác của một trị số tọa độ riêng biệt hay là tổng hợp của những tọa độ Các trị

số DOP thường dùng nhất là:

VDOP o là độ chính xác tiêu chuẩn trong cao độ

HDOP o là độ chính xác vị trí mặt phẳng 2D

PDOP o là độ chính xác vị trí không gian 3D

TDOP o là độ chính xác tiêu chuẩn trong thời gian

THDOP o là độ chính xác mặt phẳng và thời gian

GDOP o là độ chính xác vị trí không gian 3D và thời gian

Khoảng tin cậy đối với vị trí điểm xác định trên mặt phẳng chính là căn bậc hai tổng bình phương hai trục của elip sai số Đó chính là HDOP Nói chung, mỗi DOP đều tương đương với một căn bậc hai của tổng các bình phương của khoảng tin cậy trên các trục tương ứng với những tham số chúng ta quan tâm

1.3.7 Độ suy giảm chính xác

Độ suy giảm chính xác DOP là số đo cường độ hình học của cấu hình phân bố

vệ tinh GPS Bởi vì cấu hình vệ tinh phụ thuộc vào vị trí, cho nên cường độ cấu hình thay đổi theo thời gian khi các vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo của chúng từ vị trí này đến vị trí kia

Chúng ta mong muốn trị DOP càng nhỏ càng tốt Giả thiết độ chính xác trị số

đo là 10 m, trị DOP là 5 thì chúng ta có độ chính xác định vị là 50 m Nếu trị DOP gần bằng đơn vị thì độ chính xác định vị của chúng ta gần bằng độ chính xác trị số đo 10 m (một tình huống may mắn nhất)

CHƯƠNG 2 KIẾN TRÖC BỘ THU TRỰC TIẾP

2.1 Tổng quan kiến trúc bộ thu

2.1.1 Giới thiệu bộ thu trong ứng dụng thông tin vệ tinh

Vào năm 1980, chỉ duy nhất một bộ thu GPS thương mại sẵn dùng trên thị trường với mức giá vài trăm ngàn $ U.S Tuy nhiên điều này đã thay đổi một cách đáng kể, khi

mà trên thị trường ngày này, có hơn 500 bộ thu GPS khác nhau Gía trị những bộ thu hiện hành thay đổi từ $100 cho những bộ thu cầm tay đơn giản và khoảng $15,000 đối với những bộ thu phức tạp, chất lượng cao dùng trong trắc địa học Gía sẽ tiếp tục giảm trong tương lai khi mà công nghệ sản xuất bộ thu trở nên tiên tiến hơn Một bộ thu GPS đòi hỏi một anten gắn kèm với nó, gắn bên trong hoặc bên ngoài Anten nhận tín hiệu

vệ tinh đến, chuyển đổi năng lượng của tín hiệu thành dòng điện, và sau đó, bộ thu sẽ

xử lý tín hiệu thu được

Những bộ thu GPS thương mại có thể được chia thành 4 loại, xét đến khả năng thu của từng loại Đó là: single-frequency code receivers; single-frequency carrier-smoothed code receivers; single-frequency code and carrier receivers; dual-frequency receiver Những bộ thu đơn tần chỉ duy nhất truy cập tần số L1, trong khi những bộ thu song tần truy cập cả tần số L1 và L2 (chèn hình bộ thu) Ngoài ra, các bộ thu GPS còn được xếp loại dựa vào số lượng kênh mà nó có thể thu được, thay đổi từ 1 đến 12 kênh Một bộ thu GPS tốt sẽ có chức năng đa kênh, với mỗi kênh dành để quan sát liên tục riêng một vệ tinh Hiện tại, hầu hết những bộ thu GPS đều có từ 9 đến 12 kênh độc lập (hoặc song song) Các đặc điểm khác như:giá cả, dễ sử dụng, tiêu thụ năng lượng, kích thước và trọng lượng,khả năng lưu trữ dữ liệu bên trong và mở rộng bên ngoài, khả năng giao tiếp

sẽ được xem xét khi lựa chọn mua một bộ thu GPS Dạng bộ thu GPS đầu tiên, frequency code receivers, khi tiến hành đo đạc tầm giả (pseudoranges) chỉ sử dụng duy nhất mã C/A Không một đo đạc nào khác sẵn dùng Đây là dạng bộ thu rẻ nhất và đồng thời cũng ít chính xác nhất, hầu như được sử dụng vì mục đích giải trí Dạng bộ thu thứ hai, single-frequency carrier-smoothed code receivers, cũng chỉ dùng duy nhất mã C/A

single-để đo đạc tầm giả nhưng kết hợp thêm tần số sóng mang có độ phân tích cao hơn bên trong máy để xử lý số liệu đo đạc được, do đó tầm giả mà máy đo sẽ có độ chính xác cao hơn Những số liệu mà dạng bộ thu thứ ba đo đạc được bao gồm: tầm giả dùng mã C/A dưới dạng thô, kết quả đo đạc pha-sóng mang L1, và thông điệp điều hướng Ngoài

ra, dạng bộ thu này cũng có khả năng thực hiện các chức năng giống với những dạng bộ thu kia Bộ thu song tần là dạng bộ thu đắt tiền nhất và tinh vi nhất Trước khi kích hoạt AS, bộ thu này có khả năng xuất ra tất cả những thành phần tín hiệu GPS (sóng mang L1 và L2, mã C/A, mã P trên cả L1 và L2, và thông điệp điều hướng) Tuy nhiên, sau khi kích hoạt AS, mã P được mã hóa thành mã Y Do đó, bộ thu không thể xuất ra ngoài mã P hoặc là sóng mang L2 sử dụng kỹ thuật thu tín hiệu truyền thống Để giải quyết vấn đề này, những nhà sản xuất bộ thu GPS đã phát minh ra nh ững kỹ thuật không đỏi hỏi thông tin của mã Y Hiện tại, hầu hết những bộ thu sử dụng hai kỹ thuật phổ biến bao gồm kỹ thuật theo dõi dấu vết - Z (Z-tracking) và kỹ thuật tương quan chéo (cross-correlation) Cả hai kỹ thuật này khôi phục lại được sóng mang L2 một cách đầy đủ nhất nhưng cường độ tín hiệu đã bị suy giảm nhiều Độ suy giảm này trong kỹ

thuật tương quan cao hơn so với kỹ thuật Z

Hình 2.1 : Cấu trúc bộ thu GPS

2.1.2 Phân loại máy thu theo kiến trúc, đặc điểm từng loại

2.1.2.1 Bộ thu ngoại sai và trung tần số (Heterodyne & digital-IF)

Bộ thu ngoại sai chuyển đổi các tín hiệu nhận được từ anten sang trung tần bằng cách

sử dụng bộ trộn hạ tần Quá trình này cho phép sử dụng một bộ lọc ít lựa chọn hơn để lọc bỏ nhiễu trước khi chuyển đổi tín hiệu sang miền số Trong loại bộ thu này, do các vấn đề loại bỏ tần số ảnh và nửa trung tần, không dễ để tìm được sự thỏa hiệp tốt nhất giữa độ nhạy (thường bị ảnh hưởng bởi các mức độ loại bỏ tần số ảnh) và độ chọn lọc

(được xác định bằng một bộ lọc chọn kênh) Nếu IF cao, việc loại bỏ tần số ảnh trở nên dễ dàng hơn bởi vì bộ lọc thông dải (BPF) sẽ đòi hỏi hệ số phẩm chất thấp hơn, và

do đó, độ suy hao sẽ được hạn chế Suy hao trên các tầng đầu tiên của bộ thu có thể tác động lớn đến hệ số tạp âm tổng cộng của bộ thu Mặt khác, bằng việc lựa chọn IF nhỏ hơn, bộ lọc chọn kênh sẽ đòi hỏi công suất ít hơn, và chống nhiễu hiệu quả hơn

Hình 2.2 Kiến trúc bộ ngoại sai trung tần kép truyền thống

với việc hạ tần vuông góc ở tầng trung tần thứ 2 Giao thức IF kép tận dụng hai bước hạ tần để thỏa mãn các yêu cầu lọc, phân phối và khuếch đại trong một chuỗi dài hơn Tần số IF thứ nhất fIF1 được chọn giá trị cao đủ

để loại bỏ hiệu quả ảnh, và tần số IF thứ hai fIF2 được chọn có giá trị thấp hơn đủ để làm giảm các yêu cầu của bộ lọc lựa chọn kênh Nếu tần số IF thứ hai bằng 0, việc hạ

tần lần 2 sẽ tách rời tín hiệu từ thành phần I (in-phase) và thành phần vuông góc Q (quadrature) cho hệ thống điều biến đơn biên (SSB) hay tín hiệu điều biến tần số-pha,

và tương ứng với giải điều biến và việc dò tìm tín hiệu được thực hiện ở băng tần cơ

sở Việc hạ tần được thực hiện bằng bộ trộn vuông pha, tại đó góc pha lệch đi 90 độ giữa hai tín hiệu của bộ tạo dao động nội

Tuy nhiên bộ thu ngoại sai có một số vấn đề liên quan đến việc tích hợp toàn bộ trên chíp Điều này trái với các xu hướng hiện nay trong thiết kế bộ thu phát cho các thiết bị dùng pin mà mục tiêu là hướng tới thích ứng với các radio rẻ, có thể phân mức

và hiệu quả về công suất được thiết kế trong các công nghệ số CMOS Giải pháp trực tiếp giải quyết vấn đề tăng mức độ tích hợp bộ thu là chuyển đổi lấy mẫu tín hiệu và giao diện ADC từ băng tần cơ sở sang tần số cao hơn và sử dụng bộ chuyển đổi ADC

độ phân giải cao cho phép xử lý tín hiệu cao hơn trong miền số Một giải pháp cân bằng khá tốt những yêu cầu đó được minh họa trong hình sau:

Hình 2.3 Kiến trúc bộ ngoại sai trung tần số

với việc hạ tần vuông góc được thực hiện trong miền số Tần số IF thứ nhất được số hoá một cách trực tiếp, trộn tần vuông góc và lọc thông thấp tiếp đó được tiến hành trong miền số; tránh được các vấn đề gặp phải trong tín hiệu tương tự như mất cân bằng I/Q và độ di một chiều Mặc dù các cấu trúc trung tần số có tiềm năng lớn, nhưng những hạn chế của nó vẫn tồn tại trong hiệu suất được yêu cầu bởi ADC, nó có thể đòi hỏi tốc độ lấy mẫu vài trăm MHz (theo tần số IF đã được chọn) và cả một dải động lớn

+ Ưu điểm:

Bộ thu ngoại sai có thể dễ dàng tự thích ứng với các yêu cầu của các chuẩn

khác nhau đạt được độ nhạy và độ chọn lọc tốt Độ di một chiều (DC offset) của vài

tầng đầu có thể được loại bỏ bởi bộ lọc thông dải, và độ di DC của các tầng sau được loại bỏ bằng độ khuếch đại tổng cộng Cũng giống như đối với độ rò trong bộ tạo dao động nội (LO), vì tần số LO bộ trộn tần đầu tiên nằm ngoài băng tần mong muốn nên

nó được khử bằng bộ lọc thông dải đầu cuối và sự bức xạ từ anten sẽ ít bị chặn hơn + Hạn chế:

Yêu cầu một số lượng lớn các thành phần bên ngoài, ví dụ: bộ lọc loại bỏ tần số ảnh, và độ phức tạp của cấu trúc dẫn đến gây ra các vấn đề nếu như cần một mức tích hợp cao và các đặc tính độ linh động phải được thực hiện

2.1.2.2 Bộ thu trung tần không (Zero-IF)hay bộ thu đổi tần trực tiếp

Bộ thu homodyne đầu tiên được phát triển năm 1932 bởi nhóm các nhà khoa học nghiên cứu phương thức để đơn giản hóa cấu trúc bộ tạo phách Bộ thu mới cho phép giải điều chế các tín hiệu AM sử dụng một bộ tạo dao động nội được đồng bộ về tần số với tần số mang của tín hiệu mong muốn Tín hiệu thu được có thể chuyển đổi trực

tiếp sang băng tần cơ sở, tại đó tất cả các nhiễu không mong muốn sẽ được loại bỏ bằng bộ lọc thông thấp (LPF) Kiến trúc thu được có độ phức tạp và mức công suất tiêu thụ thấp hơn, nhưng lại chịu ảnh hưởng của sai số cao do các thành phần rời rạc Các vấn đề như độ rò trong bộ tạo dao động nội và độ lệch DC gây ảnh hưởng lớn đến việc chấp nhận bộ thu này

Do sự phát triển của các công nghệ đã được tích hợp nên hầu hết các vấn đề trên đều được giải quyết, người ta sử dụng các kiến trúc bộ thu zero-IF thay thế cho các kiến trúc bộ thu ngoại sai vì sự đơn giản, phù hợp và giá thành hạ Bộ thu zero-IF hiện thời không chỉ thực hiện với các tín hiệu điều biên mà nó còn có thể thực hiện với những phương pháp điều biến phức tạp hơn như điều tần lệch pha vuông góc Mô hình

bộ thu chuyển đổi trực tiếp nội được mô tả dưới hình sau:

Hình 2.4 Kiến trúc bộ thu (zero-IF) chuyển đổi trực tiếp

Dải tần số RF được lựa chọn bởi bộ lọc thụ động bên ngoài và tín hiệu được khuếch đại bằng LNA, như cấu trúc bộ thu đổi tần Sau đó tín hiệu được trộn trực tiếp đến DC bằng bộ trộn pha vuông góc cao tần, vì thế phần còn lại của các bộ lọc thụ động và các tầng trộn là không cần thiết So với kiến trúc đã nêu trong mục 3.1, ta thấy

số lượng các thành phần tương tự đã được giảm xuống Nhưng có nhiều thành phần rất khó thiết kế, ví dụ bộ lọc lựa chọn kênh (chịu trách nhiệm loại bỏ nhiễu và khử méo), cần một sự thỏa hiệp giữa công suất-độ tuyến tính-nhiễu Một sự phân bố độ tăng ích chính xác ở băng tần cơ sở có thể đáp ứng những tiêu chuẩn ngặt nghèo này

Sự chuyển đổi trực tiếp sang DC có thể phát sinh ra những vấn đề như trong những bộ thu ngoại sai đã xét ở trên Lệch DC có thể được sinh ra do độ rò trong bộ tạo dao động nội và do những sự mất phối hợp giữa các thành phần Nếu đủ lớn nó có thể trùm lên những bộ khuếch đại băng cơ sở và phá huỷ mức chấp nhận tín hiệu Tạp

âm chập chờn thường không đáng kể trong bộ thu ngoại sai, thì ở đây lại có thể ảnh hưởng lớn đến hệ số tập âm tổng cộng của bộ thu, hầu hết là cho các chuẩn băng hẹp như GSM Trong các kĩ thuật truy cập song công phân chia theo tần số, độ rò từ bộ phát vào trong bộ thu tạo ra các biến điệu bậc 2 xung quanh vùng DC Với các tín hiệu thu tối thiểu thì những điều này có thể dễ dàng giới hạn tín hiệu có khả năng thu được bởi tạp âm cộng với tỉ lệ nhiễu Cuối cùng, các kênh I và Q của bộ thu Zero-IF mang các kênh thông tin trực giao Tuy nhiên, sự mất phối hợp trong khuếch đại và pha giữa hai kênh tạo ra nhiễu, làm khó khăn hơn khi lấy lại thông tin do tỉ lệ lỗi bit (BER) Các

hệ thống thông tin liên lạc số hiện đại xác định một biên độ vector lỗi (EVM) tối đa, thường chiếm khoảng vài phần trăm, có liên quan đến lỗi lệch phối hợp về pha và độ khuếch đại của các kênh I/Q

+ Ưu điểm:

Các cấu trúc zero-IF sẽ đảm bảo mức độ tích hợp cao nhờ có tính đơn giản của

nó Những bộ thu này không đòi hỏi bất kỳ bộ lọc thông dải tần số cao nào giữa LNA

và bộ trộn, thường được triển khai ngoài chip trong bộ thu ngoại sai cho độ nhạy thích hợp Các bộ thu chuyển đổi tín hiệu trực tiếp không gây ảnh hưởng tới vấn đề tần số ảnh vì tín hiệu vô tuyến vào được hạ tần trực tiếp xuống băng tần cơ sở không cần bất

cứ bước trung tần nào

+ Hạn chế:

Luôn luôn cần có một bộ tiền lọc RF trước bộ khuếch đại tạp âm thấp làm suy giảm các blocker lớn Điều này có thể giới hạn tính linh động của bộ thu phát Độ lệch một chiều có thể được tạo ra ở đầu ra của bộ trộn khi tín hiệu rò từ bộ LO được trộn với chính tín hiệu LO Điều này có thể bão hòa các bước tiếp theo và ảnh hưởng tới quá trình dò tín hiệu dẫn tới việc không phối hợp được I/Q và sự méo các thành phần bậc chẵn Cũng như vậy, vì đầu ra bộ trộn là một tín hiệu băng tần cơ sở nên nó dễ dàng bị chặn bởi tạp âm lớn của bộ trộn, đặc biệt là khi tín hiệu RF đầu vào yếu

2.1.2.3 Bộ thu số trung tần thấp (digital low-IF)

Kiến trúc bộ thu trung tần thấp kết hợp các ưu điểm của bộ thu ngoại sai và bộ thu chuyển đổi trực tiếp Tín hiệu RF được trộn xuống IF trung bình hoặc thấp, thường tập trung xung quanh vài trăm KHz đến vài MHz (thường bằng ½, 1 hoặc 2 lần độ rộng băng thông của kênh) như biểu diễn trong hình sau:

Hình 2.5 Kiến trúc bộ thu số trung tần thấp

Bộ lọc chọn kênh phải sử dụng một bộ lọc thông dải phức tạp Tuỳ theo các ứng dụng, tín hiệu sau được chuyển đổi sang miền số dùng ADC Bước hạ tần cuối cùng để chuyển sang băng tần cơ sở được thực hiện trong miền số với việc lọc kênh triển khai qua kỹ thật DSP

Vì vấn đề tần số ảnh lại được đưa ra trong các bộ thu dạng này, nó cần được đưa vào tính toán trong các thiết kế bộ thu Tín hiệu ảnh và các bộ chặn không mong muốn bị loại bỏ bằng việc hạ tần vuông góc và lọc đa pha sau đó Sự lựa chọn IF sẽ đem lại thỏa hiệp tốt nhất giữa các yêu cầu cho bộ lọc đa pha và ADC Sau chuyển đổi tương tự-số, tín hiệu được hạ tần trong miền số sang băng tần cơ bản trước khi đưa vào quá trình lọc số Bộ trộn số sau đó có thể được sử dụng trong việc hạ tần lần cuối sang băng tần cơ sở mà ở đó diễn ra việc lọc kênh số Sự chuyển đổi các chức năng vốn thường được thực hiện trong miền tương tự này sang miền số mang lại các ưu điểm quan trọng Quá trình xử lý tín hiệu số có thể tránh được các biến điều kiện hoạt động

mà có thể làm ảnh hưởng đến các mạch analog nhạy Sử dụng quá trình xử lí tín hiệu

số sẽ cải thiện độ linh hoạt thiết kế và thúc đẩy sự phát triển của cấu trúc có khả năng

mở rộng, khả năng tích hợp cao và chi phí thấp của các công nghệ xử lí CMOS Trong khi bộ thu số trung tần thấp có thêm một bước hạ tần, nó có thể thực hiện các tính năng này trong một vùng nhỏ hơn so với khi thực hiện bằng bộ lọc băng tần cơ sở analog của kiến trúc zero-IF Thêm vào đó, vì tín hiệu mong muốn có giá trị cao hơn 100KHz so với băng tần cơ sở sau khi hạ tần tín hiệu tương tự lần đầu tiên, mọi độ lệch DC đều không đáng kể Cũng như một khi trong miền số, việc lọc số sẽ thành công trong việc loại bỏ bất kì vấn đề tiềm năng nào Khả năng tránh độ lệch DC có lợi ích cho việc mở rộng sự lựa chọn bộ phận và cải tiến quá trình sản xuất

+Ưu điểm:

Kiến trúc trung tần thấp vẫn cho phép tích hợp ở mức độ cao Thêm vào đó, bởi

vì các tín hiệu không mong muốn không ở xung quanh DC, vấn đề như độ di DC, tạp

âm chập chờn và việc tự trộn trong bộ dao động nội có thể dễ dàng tránh được Quá trình xử lý số băng tần cơ sở cho phép khả năng tích hợp, mở rộng và giảm chi phí + Hạn chế:

Bộ thu trung tần thấp có thể yêu cầu tỷ lệ loại bỏ ảnh lớn Tuy nhiên mức lọc bỏ tần số ảnh thích hợp vẫn có thể đạt được với bộ hạ tần vuông pha thiết kế chuẩn và các đường tín hiệu I và Q đã được tích hợp Sự mất cân bằng I/Q làm cho nhiễu không thể

bị loại bỏ trong các bước sau đó và do vậy trực tiếp giảm khả năng loại bỏ tần số ảnh của thiết bị đầu cuối

2.1.2.4 Bộ thu lấy mẫu thông dải (Bandpass sampling)

Lấy mẫu thông dải là một giải pháp thay thế để định vị lại tín hiệu có băng thông giới hạn B f H  f L từ tần số vô tuyến RF xuống dải tần cơ sở Điều đó xảy ra

là vì việc lấy mẫu trong miền thời gian chính là nhân tín hiệu với một dãy xung đơn vị, tức là trong miền tần số nó trở thành tích chập của phổ tín hiệu với biến đổi Fourier xung đơn vị Các bản sao phổ khác nhau sẽ không chồng chập lên nhau chỉ khi nếu việc lấy mẫu con được thực hiện ở tần số chính xác Theo định lý lấy mẫu của Shannon, tín hiệu s(t) với độ rộng băng tần B có thể được tái tạo từ các mẫu s(n) với tỷ

lệ Nyquist 2B mẫu/giây, sử dụng công thức:

sin[2 ( )]

2( ) ( )

Tùy theo vị trí của độ rộng băng tần tín hiệu thì các tình huống khác nhau có thể được mô tả Hình sau sẽ biểu diễn nguyên lý thông dải truyền thống cho việc lấy mẫu

thông dải đồng nhất (UBPS-Uniform Bandpass Sampling), trong đó phát biểu rằng tín

hiệu có thể được tái tạo lại nếu tỉ lệ lấy mẫu tối thiểu là f s  2B:

Hình 2.6 Bộ thu lấy mẫu thông dải đồng nhất (UBPS)

Sau khi lấy mẫu, phổ gập có dải xác định nằm trong khoảng [0, ]

bộ thu lấy mẫu thông dải phải đặt sau một bộ lọc thông dải có tính chọn tốt để loại bỏ các nhiễu mà có thể gây méo sang băng cơ sở Các tạp âm còn lại được gập lại với nhau tại băng tần cơ sở với tín hiệu đạt được sự giảm dần tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu, theo công thức:



  (2.2) Trong đó: Np và N0 là tạp âm ở trong và ngoài băng; n là số vùng Nyquist méo dạng Ngay cả khi tần số lấy mẫu nhỏ hơn nhiều so với tần số vô tuyến RF thì bộ lấy mẫu và

bộ ADC cũng có thể đòi hỏi một công suất tiêu thụ lớn.Nếu tín hiệu cao tần được chia thành 2 đường, mỗi đường được lấy mẫu giống nhau ở tần số fs dẫn đến một dải tần

xác định tại băng cơ sở [ , ]

2 2



, ta có thể thực hiện kỹ thuật QBPS (Quadrature

Bandpass Sampling) QBPS không chỉ cung cấp các thành phần vuông góc, nó còn

làm đơn giản đi nhiều việc chọn tần số fs

Hình 2.7 Bộ thu lấy mẫu thông dải vuông góc (QBPS)

Bộ thu như vậy yêu cầu một tín hiệu RF analog trong điều kiện trước bộ biến đổi ADC phải thực hiện việc hạ tần, lọc, và lấy mẫu Điều này cho phép chuyển đổi tương tự-số trong miền thời gian rời rạc tốc độ cao ở IF với độ phân giải đã giảm Bộ trộn lấy mẫu con có thể thực hiện đồng thời các nhiệm vụ hạ tần và hoạt động lấy mẫu–và-giữ Tuy nhiên, các bộ hạ tần lấy mẫu con đơn giản thiếu các tính chất lọc được yêu cầu để loại bỏ các tín hiệu không mong muốn và méo tạp âm băng rộng trên đỉnh tín hiệu mong muốn trong quá trình lấy mẫu con Mặt khác, việc tích hợp một bộ lọc chống méo thông dải miền thời gian liên tục phía trước bộ lấy mẫu là rất khó ở các tần số cao

Cấu trúc bộ thu dựa trên cơ sở bộ lọc hạ tần lấy mẫu RF đưa ra năm 2005 [6] Khối thời gian rời rạc này kết hợp với việc lấy mẫu RF và hạ tần vuông pha với việc lọc chống méo có thể điều chỉnh được ở trung tần và một phần mười của tốc độ lấy mẫu Để lựa chọn tỷ lệ lấy mẫu thích hợp trong bộ trộn lấy mẫu, các thành phần I/Q có thể đạt được bằng việc sử dụng một bộ LO đơn pha Tuy nhiên, méo tạp âm trong băng tần cơ sở vẫn là một vấn đề, sự mất cân bằng I/Q làm xuống cấp sự loại bỏ tần số ảnh và bộ thu sẽ nhạy với méo xung (clock jitter) Sự lý tưởng hóa bộ lọc lựa chọn kênh băng hẹp làm việc tại tần số lấy mẫu cao để giảm nhiễu lớn có thể sẽ khó khăn

với các kỹ thuật thiết kế bộ lọc tụ điều chỉnh thông tắt được truyền thống Kỹ thuật khắc phục vấn đề này là kết hợp khử méo đáp ứng xung chiều dài hữu hạn (FIR) và việc loại bỏ ảnh, hạ tần vuông góc trong bằng việc lấy mẫu con và việc lọc chọn lựa kênh đáp ứng xung chiều dài vô hạn (IIR) bên trong một khối lấy mẫu chức năng Tần

số 14T của việc chuyển mạch bộ trộn được liên kết vào nhờ một bộ đếm đơn giản tới tốc độ lấy mẫu đầu ra 1NT , trong đó N có thể lập trình được Điều này có thể trở thành một khó khăn ở các tần số hoạt động rất cao

+ Ưu điểm:

Việc giải điều chế kế thừa của đầu vào làm cho việc lấy mẫu con trở nên đáng chú ý trong các hệ thống thông tin liên lạc bởi vì không cần bộ trộn cho việc hạ tần nữa Cấu trúc này tương đối đơn giản, và các vấn đề các bộ thu tiêu chuẩn như là I/Q hay độ di DC có thể tránh được

+ Hạn chế:

Lấy mẫu thông dải đòi hỏi các tiêu chuẩn kỹ thuật bộ lọc thông dải RF rất chặt

chẽ Tỷ lệ SNR không được duy trì do việc méo tạp âm Méo nhảy xung (Clock Jitter)

- Đảm bảo công suất ra danh định

- Đảm bảo tỉ số tín hiệu trên nhiễu (S/N)

Muốn nâng cao độ nhạy của máy thu thì hệ số khuếch đại của nó phải lớn và mức tạp

âm nội bộ của nó phải thấp (giảm tạp âm của tầng đầu)

ở siêu cao tần (f>30MHz) độ nhạy của máy thu thường được xác định bằng công suất chứ không phải bằng sức điện động cảm ứng trên anten

Pmin-in(w)= k.T.B.NF.SNRout(ngưỡng)

Pmin-in(dBm)= -174+ 10logB + NF(dB)+ SNR out( ngưỡng)(dB)

SNR phụ thuộc vào phương thức điều chế

Pmin-in nhỏ thì tốt nhưng lại bị thiệt về tốc độ (B giảm) Nên phải cân nhắc phù hợp tùy điều kiện triển khai hoạt động

1

3 2 1 4

2 1 3

NF A

A

NF A

NF NF

NF T

(2.3)Trong đó: NF1, NF2 NF4: Hệ số nhiễu của các bộ khuếch đại mắc chuỗi

A1, A2, A3: Độ khuếch đại của các bộ khuếch đại mắc chuỗi

Chú ý các hệ số nhiễu trong biểu thức trên được tính theo đơn vị tỉ số, không phải theo

dB

Nhiệt độ tạp âm hệ thống

Te= To(NF-1) Ts=Ta + Te Ts: nhiệt độ tạp âm hệ thống

Te: nhiệt độ tạp âm tương đương

Ta nhiệt độ tạp âm anten

+ Tỷ lệ lỗi bít BER ( Bit Error Rate) là tỷ số bít bị lỗi trên tổng số bít phát đi Thông số này đặc trueng cho chất lượng truyền dẫn tuyến

2.2 Kiến trúc bộ thu trực tiếp

VGA

Mixer

RF Amplifier

RF Band

Filter

Local Oscillator

90 0

VGA

ADC

Hình 2.8 Kiến trúc bộ thu trực tiếp

2.2.1 Khối lọc thông dải BPF

Bản thân anten đã là bộ lọc thông dải( tiền lọc) BPF lọc thông dải lọc băng ( nhiễu ngoài băng) thu băng mà hệ thống hoạt động RF( phổ tín hiệu có ích fo+ tần số khác) qua bộ lọc thông dải còn nhiễu trong băng Tín hiệu sau khi lọc qua bộ LNA

2.2.2 Khối khuyếch đại tạp âm thấp LNA

Khối LNA ( Low noise Ampliper) là bộ khuyếch đại có hệ số khuyếch đại G lớn nhưng kìm tạp âm duy trì mức thấp so với tín hiệu có ích, tạp âm vẫn tăng Dẫn đến tăng chất lượng thu( độ nhạy thu).Đưa qua bộ giải điều chê I/Q ( hai đầu vào hai đầu

ra, một đầu vào RF 1 đầu vào LO, LO là bộ dao động nội tần số bộ dao động còn tự trộn với chính nó sẽ tạo thành phần một chiều thuộc băng cơ sở) fLO= fo Mỗi tín hiệu bất kì đều biểu diễn dạng cầu phương ( I+ jQ)ejwt Thành phần một chiều đưa qua bộ lọc thông thấp LPF( Low Pass Filter) không mong muốn gây lệch nhánh cầu phương tăng xác suất lỗi bít hay tỷ lệ lỗi bit BER tăng dẫn đến chất lượng máy thu giảm.BPSK Q=0

2.2.3 Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự /số ADC

Quá trình chuyển đổi A/D nhìn chung được thực hiện qua 4 bước cơ bản, đó là: lấy mẫu; nhớ mẫu; lượng tử hóa và mã hóa Các bước đó luôn luôn kết hợp với nhau trong một quá trình thống nhất