Xây dựng hệ thống tự động phát hiện nhiễu loạn tầng điện ly dựa trên tín hiệu từ vệ tinh định vị

Danh mu ̣c từ viết tắt ACF Autocorrelation Function ADC Analog-to-Digital Converter BPSK Binary Phase Shift Keying CDMA Code Division Multiple Access DFS Doppler Frequency Shift

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

DƯƠNG HOÀNG VINH

XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG PHÁT HIỆN NHIỄU LOẠN TẦNG ĐIỆN LY DỰA TRÊN TÍN HIỆU TỪ VỆ TINH ĐI ̣NH VI ̣

Chuyên ngành: Truyền thông và ma ̣ng máy tính

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG VÀ MẠNG MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS LÃ THẾ VINH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Dương Hoa ̀ng Vinh

Đề tài luận văn: Xây dựng hê ̣ thống tự đô ̣ng phát hiê ̣n nhiễu loa ̣n tầng điê ̣n ly

dựa trên tín hiê ̣u từ vê ̣ tinh đi ̣nh vi ̣

Chuyên ngành: Truyền thông và ma ̣ng máy tính

Mã số SV: CA140219

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 23/04/2016 với các nội dung sau:

 Bổ sung phần kiến thức còn thiếu về tầng điê ̣n ly

 Căn chỉnh la ̣i phần đánh số công thức.

 Chỉnh sửa mô ̣t số lỗi di ̣ch thuâ ̣t

 Sửa các lỗi chính tả

Ngày tháng năm

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và dưới sự hướng dẫn khoa ho ̣c của TS Lã Thế Vinh

Các nô ̣i dung nghiên cứu, kết quả trong luâ ̣n văn này là trung thực và chưa được công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây

Hà Nô ̣i, ngày tháng năm

Tác giả

Dương Hoàng Vinh

Lời cảm ơn

Tác giả luâ ̣n văn xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới những người đã hỗ trợ cho tác giả trong suốt quá trình ho ̣c tâ ̣p, nghiên cứu và hoàn thiê ̣n luâ ̣n văn Tha ̣c sĩ Nếu không nhờ có những sự hỗ trợ, đô ̣ng viên và hướng dẫn tâ ̣n tình này thì rất có thể luâ ̣n văn này đã không thể hoàn thành

TS Lã Thế Vinh là người hướng dẫn và đi ̣nh hướng cho đề tài luâ ̣n văn này, thầy là

mô ̣t giảng viên giỏi, vui tính và là mô ̣t người thầy luôn khiến sinh viên của mình nhâ ̣n đươ ̣c nguồn cảm hứng trong ho ̣c tâ ̣p và nghiên cứu Thầy đã rất nhiê ̣t tình hướng dẫn và cho tác giả những lời khuyên hết sức bổ ích trong suốt quá trình hoàn thành luâ ̣n văn Hơn nữa thầy đã hỗ trợ cho tác giả luâ ̣n văn có cơ hô ̣i được làm viê ̣c với những thiết bi ̣ và môi trường làm viê ̣c hiê ̣n đa ̣i và chuyên nghiê ̣p giúp cho các kết quả của luâ ̣n văn đa ̣t được là tốt nhất có thể

ThS Nguyễn Đình Thuâ ̣n, đang là giảng viên ta ̣i bô ̣ môn Kỹ thuâ ̣t máy tính, Viê ̣n Công nghê ̣ thông tin & Truyền thông, trường Đa ̣i ho ̣c Bách khoa Hà Nô ̣i Anh là mô ̣t người rất vui tính, năng đô ̣ng và là mô ̣t giảng viên rất giỏi kiến thức chuyên môn Nhờ sự kiên nhẫn và nhiê ̣t tình của anh mà đã giúp tác giả luâ ̣n văn giải đáp được những thắc mắc cũng như đa ̣t được những kiến thức cần thiết để hoàn thành luâ ̣n văn Tác giả luâ ̣n văn xin gửi lời cám ơn tới các thầy cô của Viê ̣n Công nghê ̣ thông tin, trường đa ̣i ho ̣c Bách khoa Hà Nô ̣i đã giúp cho tác giả luâ ̣n văn có được các kiến thức bổ ích trong suốt quá trình ho ̣c tâ ̣p và làm viê ̣c ta ̣i đây

Cuối cùng, sự khích lê ̣, đô ̣ng viên và hỗ trợ từ gia đình và ba ̣n bè là vô cùng quan tro ̣ng đã giúp cho tác giả vượt qua được trong những giai đoa ̣n khó khăn của mình

Mu ̣c lu ̣c

Lời cảm ơn III Danh mu ̣c hình vẽ VII Danh mu ̣c từ viết tắt X

Lời mở đầu 1

Chương 1 Tín hiê ̣u GPS 3

1.1 Tín hiê ̣u và dữ liê ̣u 4

1.2 GPS Signal Scheme 4

1.3 C/A Code 8

1.4 Doppler Frequency Shift 10

1.5 Code Tracking 11

1.6 Navigation Data 13

1.6.1 Telemetry and Handover Words 14

1.6.2 Data in Navigation Message 15

Chương 2 GNSS Antennas và Front Ends 16

2.1 Tổng quan 17

2.2 Các thành phần của bô ̣ thu GNSS L1 19

2.2.1 GNSS Antenna 19

2.2.2 Filter 22

2.2.4 Mixer/Local Oscillator 24

2.2.5 Analog-to-Digital Converter 27

2.3 Resulting Sampled Data 28

Chương 3 Tổng quan cách thức hoa ̣t đô ̣ng của bô ̣ thu GNSS 33

3.1 Receiver Channels 34

3.1.1 Acquisition 35

3.1.2 Tracking 38

3.1.3 Trích xuất dữ liê ̣u đi ̣nh vi ̣ 38

3.2 Tính toán vi ̣ trí 39

Chương 4 Thiết bi ̣ số hóa tín hiê ̣u vê ̣ tinh (Front-end) 40

4.1 Các thành phần của bô ̣ front-end 41

4.2 Nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng 43

Chương 5 Phát triển và thử nghiê ̣m hê ̣ thống phát hiê ̣n nhiễu loa ̣n tầng điê ̣n ly 46 5.1 Tầng điê ̣n ly 47

5.2 Cơ sở lý thuyết 49

5.3 Cài đă ̣t giải thuâ ̣t tính chỉ số S4 49

5.4 Mô hình hê ̣ thống 53

5.5 Đánh giá hê ̣ thống 54

Kết luâ ̣n 61

Tài liê ̣u tham khảo 63

Danh mu ̣c hình vẽ

Hình 1.1 Quá trình sinh tín hiê ̣u GPS trong của vê ̣ tinh 5Hình 1.2 Cấu trúc tín hiê ̣u L1: f(t) là sóng mang và C(t) là chuỗi rời ra ̣c của mã C/A

Nhìn vào hình vẽ thì tín hiê ̣u được lă ̣p la ̣i mỗi ms D(t) là dòng bit dữ liê ̣u rời

ra ̣c Mô ̣t bit dữ liê ̣u đi ̣nh vi ̣ kéo dài trong 20 ms Ba thành phần của tín hiê ̣u L1 đươ ̣c nhân với nhau để ta ̣o thành tín hiê ̣u kết quả 7Hình 1.3 Kết quả của quá trình điều chế BPSK của sóng mang L1 với mã C/A và tín

hiê ̣u đi ̣nh vi ̣ đối với mô ̣t vê ̣ tinh Tín hiê ̣u kết quả L1 được sinh ra từ G, N, và tín hiê ̣u sóng mang 8Hình 1.4 Đồ thi ̣ thân của ACF đối với mô ̣t chuỗi ACF Thân bên trái có giá tri ̣ tương

quan rp0 = 1; các giá tri ̣ tương quan khác là 631023, -11023, hay -651023 Hình vẽ chỉ cho thấy 50 giá tri ̣ đầu tiên trong 1023 giá tri ̣ 9Hình 1.5 Hai tam giác biểu thi ̣ ACF của early và late Trong hình bên trái hai tam giác

cách nhau mô ̣t khoảng d = 1 chip (tương quan rô ̣ng – wide correlator), và hình bên phải cho thấy khoảng cách d = 0.5 chip (tương quan he ̣p – narrow correlator) Cả hai sự phân tách này có đô ̣ nghiêng giống nhau và gần với tín hiê ̣u gốc 12Hình 1.6 Các hàm phân tách đồng bô ̣ (đườn nét liền) và bất đồng bô ̣ (đường nét đứt)

13

Hình 1.7 Cấu trúc dữ liê ̣u đi ̣nh vi ̣ của tín hiê ̣u GPS Mỗi subframe chứa 300 bits kéo dài

trong 6s Subframes 1, 2 và 3 được lă ̣p la ̣i sau 30s trong khi đó subframe 4 và

5 có 25 phiên bản trước khi được lă ̣p la ̣i Như vâ ̣y, mô ̣t thông điê ̣p đi ̣nh vi ̣ hoàn

chỉnh được lă ̣p la ̣i sau 12.5 phút 14

Hình 2.1 Mô tả trên miền tần số của tín hiê ̣u GPS và công suất của nhiễu nền 30 dBm = 1 dBW Tần số trung tâm là 1575.42 MHz 17

Hình 2.2 Bô ̣ thu GNSS L1 19

Hình 2.3 Sự so sánh của các bô ̣ lo ̣c thông giải 23

Hình 2.4 Thể hiê ̣n 1000 mẫu tín hiê ̣u trên miền thời gian 29

Hình 2.5 Histogram của 1,048,576 mẫu dữ liê ̣u 29

Hình 2.6 Miền tần số Thể hiê ̣n của 1,048,576 mẫu tín hiê ̣u của dữ liê ̣u GPS L1 30

Hình 2.7 Mô tả trên miền tần số đã được cải thiê ̣n Tần số trung tâm 1575.42 MHz 31

Hình 3.1 Mô ̣t kênh của bô ̣ thu Khối Acquisition đưa ra các tham số của tín hiê ̣u ở da ̣ng ước lượng thô Các tham số này sẽ được đánh giá la ̣i bởi hai khối tracking Sau khối tracking, dữ liê ̣u đi ̣nh vi ̣ có thể được trích xuất và các giả cự ly (pseudorange) có thể được tính toán 34

Hình 3.2 Đồ thi ̣ Acquisition đổi với PRN 21.Tín hiê ̣u gốc từ PRN 21 được thể hiê ̣n trong tín hiê ̣u thu được 37

Hình 3.3 Đồ thi ̣ Acquisition đối với PRN 19 Tín hiê ̣u gốc từ PRN 19 rõ ràng là không đươ ̣c thể hiê ̣n trong tín hiê ̣u thu được, không xuất hiê ̣n đỉnh tín hiê ̣u trong đồ thi ̣ 37

Hình 3.4 Nguyên tắc cơ bản của đi ̣nh vi ̣ GNSS Với vi ̣ trí đã được biết trước của 4 vê ̣ tinh SVNi và khoảng cách truyền tín hiê ̣u ρi, vi ̣ trí của người dùng có thể được xác đi ̣nh 39

Hình 4.1 Cấu ta ̣o của front-end 41

Hình 4.2 Cách thức hoa ̣t đô ̣ng của front-end 43

Hình 4.3 Phổ của tín hiê ̣u sau khi qua bô ̣ lo ̣c thông giải L1 Filter 44

Hình 4.4 Phổ của tín hiê ̣u sau khi qua bô ̣ lo ̣c thông giải IF Filter 2 44

Hình 5.1 Tầng điê ̣n ly và các ảnh hưởng tới tín hiê ̣u vê ̣ tinh 48

Hình 5.2 Lưu đồ thuâ ̣t toán tính các giá tri ̣ của chỉ số S4 50

Hình 5.3 Dữ liê ̣u I/Q và chỉ số S4 của vê ̣ tinh PRN 6 51

Hình 5.4 Dữ liê ̣u I/Q và chỉ số S4 của vê ̣ tinh PRN 17 51

Hình 5.5 Dữ liê ̣u I/Q và chỉ số S4 của vê ̣ tinh PRN 28 52

Hình 5.6 Hê ̣ thống tự đô ̣ng ghi dữ liê ̣u phu ̣c vu ̣ giám sát sự nhiễu loa ̣n tầng điê ̣n ly 53

Hình 5.7 Đánh giá giải thuâ ̣t tính toán chỉ số nhiễu loa ̣n (S4) 54

Hình 5.8 Tỉ số C/N0 của các vê ̣ tinh được cho ̣n để đánh giá các giá tri ̣ S4. 55

Hình 5.9 Các giá tri ̣ S4 của PRN 7 55

Hình 5.10 Các giá tri ̣ S4 của PRN 11 56

Hình 5.11 Các giá tri ̣ S4 của PRN 19 56

Hình 5.12 Tổng số lần xảy ra nhiễu được thu thâ ̣p trong mô ̣t tháng 57

Hình 5.13 Vết của vê ̣ tinh bi ̣ nhiễu, với giá tri ̣ S4 đươ ̣c thể hiê ̣n bằng màu 58

Hình 5.14 Tổng số lần xảy ra nhiễu được thu thâ ̣p trên tất cả các vê ̣ tinh 59

Hình 5.15 Skyplot thể hiê ̣n các vùng bi ̣ ảnh hưởng bởi nhiễu 60

Danh mu ̣c từ viết tắt

ACF Autocorrelation Function

ADC Analog-to-Digital Converter

BPSK Binary Phase Shift Keying

CDMA Code Division Multiple Access

DFS Doppler Frequency Shift

GNSS Global Navigation Satellite System

GPS Global Positioning System

L1 Tần số GPS 𝑓𝐿1 = 1575.42 𝑀𝐻𝑧

LFSR Linear Feedback Shift Register

LHCP Left Hand Circular Polarization

NRZ Non Return to Zero

RHCP Right Hand Circular Polarization

S4 Amplitude Scintillation Index

SNR Signal-to-Noise Ratio

VSWR Voltage Standing Wave Ratio

UHF Ultra High Frequency

UTC Universal Time Coordinated

Đi ̣nh vi ̣ sử du ̣ng vê ̣ tinh là mô ̣t lĩnh vực quan tro ̣ng và có tính ứng du ̣ng cao không chỉ trong các lĩnh vực khác mà còn được sử du ̣ng cả trong đời sống hàng ngày của chúng ta Đây là lĩnh vực đang rất phát triển trên toàn thế giới, với các hê ̣ thống đi ̣nh vi ̣ được biết đến như: GPS của Mỹ, GLONASS của Nga, GALILEO của liên minh Châu Âu, QZSS của Nhâ ̣t, IRNSS của Ấn Đô ̣ và BEIDOU của Trung Quốc - nô ̣i du ̣ng luâ ̣n văn chỉ đề

câ ̣p tới tín hiê ̣u vê ̣ tinh đi ̣nh vi ̣ trên hê ̣ thống GPS Nhờ sự bùng nổ và phát triển ma ̣nh mẽ của khoa ho ̣c kỹ thuâ ̣t và công nghê ̣ ngày nay mà lĩnh vực đi ̣nh vi ̣ sử du ̣ng vê ̣ tinh đươ ̣c ứng du ̣ng mô ̣t cách rô ̣ng rãi và phổ biến hơn bằng cách tích hợp vào những thiết bi ̣ chuyên du ̣ng trong các lĩnh vực như quân sự, quan trắc, giao thông,… hay những thiết

bi ̣ quen thuô ̣c trong đời sống hàng ngày của chúng ta như những chiếc smart phone, tablet, smart watch…

Trong các lĩnh vực sử du ̣ng thiết bi ̣ đi ̣nh vi ̣ sử du ̣ng vê ̣ tinh (GNSS), luôn tồn ta ̣i mô ̣t vấn đề mà ít người sử du ̣ng ý thức được mức đô ̣ ảnh hưởng của nó tới đô ̣ chính xác cũng như khả năng hoa ̣t đô ̣ng của thiết bi ̣ đi ̣nh vi ̣, đó chính là các hiê ̣n tượng nhiễu loa ̣n (nhấp nháy) tầng điê ̣n ly Đây là mô ̣t hiê ̣n tượng gây ra bởi các hoa ̣t đô ̣ng từ mă ̣t trời làm thay đổi mâ ̣t đô ̣ điê ̣n tích ở tầng điê ̣n ly dẫn đến sự khúc xa ̣ của tín hiê ̣u điê ̣n từ truyền từ vê ̣ tinh tới thiết bi ̣ đi ̣nh vi ̣ trên mă ̣t đất Sự khúc xa ̣ này làm cho viê ̣c tính toán to ̣a đô ̣ có sai số lớn, thâ ̣m chí thiết bi ̣ đi ̣nh vi ̣ không thể hoa ̣t đô ̣ng được Vì vâ ̣y, viê ̣c nghiên cứu và xây dựng hê ̣ thống tự đô ̣ng phát hiê ̣n hiê ̣n tượng nhiễu loa ̣n tầng điê ̣n ly và lưu trữ dữ liệu để phân tích cường đô ̣ nhiễu là thực sự cần thiết cho cả các hoa ̣t đô ̣ng thực tế và nghiên cứu khoa ho ̣c

Viê ̣c sử du ̣ng kỹ thuâ ̣t đi ̣nh vi ̣ mềm để phát hiê ̣n sự nhiễu loa ̣n tầng điê ̣n ly vẫn còn khá mới mẻ Hiê ̣n nay ở Viê ̣t Nam chưa có thiết bi ̣ nào có khả năng làm được như vâ ̣y Luâ ̣n văn này sẽ tâ ̣p trung mô tả viê ̣c phân tích và xử lý tín hiê ̣u từ vê ̣ tinh đi ̣nh vi ̣ đồng thời sử du ̣ng các miêu tả về mă ̣t toán ho ̣c để xây dựng nên mô ̣t hê ̣ thống tự đô ̣ng phát hiê ̣n nhiễu loa ̣n tầng điê ̣n ly Nô ̣i dung của luâ ̣n văn này được chia thành năm chương:

 Chương 1 miêu tả qui trình sinh ra tín hiê ̣u GPS, thảo luâ ̣n các các tính chất, thông số quan tro ̣ng của tín hiê ̣u GPS cũng như cấu trúc dữ liê ̣u của nó

 Chương 2 mô tả mô ̣t cách chi tiết đă ̣c tính của antenna thu nhâ ̣n tín hiê ̣u GPS và cấu ta ̣o của bô ̣ front-end, đồng thời miêu tả cách thức hoa ̣t đô ̣ng cũng như ảnh hưởng của từng thành phần trong bô ̣ front-end lên tín hiê ̣u GPS

 Chương 3 giới thiê ̣u mô ̣t cách tổng quan cách thức xử lý tín hiê ̣u GPS để tính toán

ra dữ liê ̣u đi ̣nh vi ̣

 Chương 4 làm viê ̣c với mô ̣t bô ̣ front-end cụ thể, mô tả chi tiết các thông số của từng thành phần trong bô ̣ front-end và tiến hành xem xét tín hiê ̣u khi nó hoa ̣t đô ̣ng

 Chương 5 tâ ̣p trung vào thuâ ̣t toán để đánh giá sự nhiễu loa ̣n tầng điê ̣n ly, để từ đó cài đă ̣t và phát triển lên thành hê ̣ thống tự đô ̣ng phát hiê ̣n nhiễu loa ̣n tầng điê ̣n

ly Cuối cùng so sánh với các bô ̣ thu thương ma ̣i để đánh giá tính đúng đắn của

hê ̣ thống

Chương 1

Tín hiê ̣u GPS

Để thiết kế đươ ̣c mô ̣t bô ̣ thu tần số GPS mềm thì viê ̣c hiểu được các đă ̣c tính của tín hiê ̣u và dữ liê ̣u được truyền từ vê ̣ tinh và được nhâ ̣n bởi GPS antenna của bô ̣ thu là điều hết sức cần thiết Chương này sẽ giới thiê ̣u mô ̣t cách tổng quan về quá trình sinh ra tín hiê ̣u GPS và các tính chất quan tro ̣ng nhất của các tín hiê ̣u và dữ liê ̣u mà sẽ được trình bày

1.1 Tín hiê ̣u và dữ liê ̣u

Tín hiê ̣u GPS được truyền trên hai tần số radio nằm trong băng tần UHF (có tần số từ

500 MHz tới 3 GHz) Các tần số này go ̣i là L1 và L2 là bô ̣i số của tần số 𝑓0 = 10.23 MHz [2]:

Tín hiê ̣u được hình thành từ ba thành phần:

Sóng mang: với tần số 𝑓𝐿1 hoă ̣c 𝑓𝐿2

Dữ liê ̣u đi ̣nh vi ̣: dữ liê ̣u đi ̣nh vi ̣ chứa thông tin liên quan đến quỹ đa ̣o vê ̣ tinh Thông tin

này được tải tới tất cả các vê ̣ tinh từ tra ̣m phát dưới mă ̣t đất ở trong GPS Control Segment Dữ liê ̣u đi ̣nh vi ̣ có tốc đô ̣ truyền bit là 50 bps

Chuỗi truyền lan: Mỗi vê ̣ tinh có hai mã trải phổ đô ̣c nhất là mã coarse acquisition (C/A),

và mã bảo mâ ̣t (encrypted precision) (P(Y)) Mã C/A là mô ̣t chuỗi mã có đô ̣ dài

1023 chip (mô ̣t chip tương đương với 1 bit Go ̣i là chip đơn giản chỉ bởi vì muốn nhấn ma ̣nh rằng nó không giữ bất kỳ thông tin nào trong đó) Mã này sẽ được lă ̣p

đi lă ̣p la ̣i sau mỗi ms với xung nhi ̣p 1.023 MHz P code là mô ̣t mã dài hơn (≈ 2.35 ∙

104 chips) với xung nhi ̣p 10.23 MHz Mã này được lă ̣p la ̣i sau mỗi tuần của đầu tuần GPS cu ̣ thể vào nửa đêm thứ bảy/chủ nhâ ̣t C/A code chỉ được điều chế trên sóng mang tần số L1 còn P(Y) code được điều chế trên cả L1 và L2

1.2 GPS Signal Scheme

Hình 2.1 là sơ đồ khối miêu tả quá trình sinh ra tín hiê ̣u GPS Nhìn sơ đồ khối từ trái sang phải Phía ngoài cùng bên trái là tín hiê ̣u đồng hồ để cung cấp cho các khối còn la ̣i

trong sơ đồ Tín hiê ̣u đồng hồ có tần số là 10.23 MHz Khi được nhân với 154 và 120, nó sẽ sinh ra tín hiê ̣u sóng mang tần số L1 và L2 tương ứng Ở góc trái dưới là bô ̣ giới

ha ̣n được dùng để ổn đi ̣nh tín hiê ̣u đồng hồ trước khi cấp cho bô ̣ sinh mã P(Y) và C/A Ở đáy của sơ đồ là bô ̣ sinh dữ liê ̣u để sinh ra dữ liê ̣u đi ̣nh vi ̣ Các bô ̣ sinh mã và bô ̣ sinh dữ liê ̣u được đồng bô ̣ với nhau thông qua tín hiê ̣u 𝑋1 đươ ̣c cấp bởi bô ̣ sinh mã P(Y)

Hình 1.1 Quá trình sinh tín hiê ̣u GPS trong của vê ̣ tinh

Sau quá trình mã, các mã này sẽ được kết hợp với dữ liê ̣u đi ̣nh vi ̣ thông qua hai bô ̣ cô ̣ng Phép toán XOR được sử du ̣ng trên các chuỗi nhi ̣ phân được biểu diễn bởi 0 và 1, và các tính chất của nó được thể hiê ̣n trong bảng 1.1

Nếu các chuỗi nhi ̣ phân được biểu diễn bởi các đa ̣i lượng cực có giá tri ̣ khác 0 return-to-zero), cụ thể là 1 và -1, do đó có thể sử du ̣ng phép nhân thông thường Các tính

(non-chất tương đương của phép nhân với hai chuỗi nhi ̣ phân NRZ được thể hiê ̣n trong bảng 1.2

Bảng 1.1

Kết quả của phép toán XOR

Kết quả của phép nhân

ta ̣o thành tín hiê ̣u kết quả L1

Tín hiê ̣u được truyền từ vê ̣ tinh k có thể được miêu tả như sau:

𝑠𝑘(𝑡) = √2𝑃𝐶(𝐶𝑘(𝑡) ⊕ 𝐷𝑘(𝑡)) cos(2𝜋𝑓𝐿1𝑡)

+ √2𝑃𝑃𝐿1(𝑃𝑘(𝑡) ⊕ 𝐷𝑘(𝑡)) sin(2𝜋𝑓𝐿1𝑡)+ √2𝑃𝑃𝐿2(𝑃𝑘(𝑡) ⊕ 𝐷𝑘(𝑡)) sin(2𝜋𝑓𝐿2𝑡)

(1.3)

Trong đó 𝑃𝐶, 𝑃𝑃𝐿1, 𝑃𝑃𝐿2 là công suất của các tín hiê ̣u với mã C/A hoă ̣c mã P, 𝐶𝑘 là chuỗi

mã C/A được gán với vê ̣ tinh số hiê ̣u k, 𝑃𝑘 là chỗi mã P(Y) được gán với vê ̣ tinh số hiê ̣u

k, 𝐷𝑘 là chuỗi dữ liê ̣u đi ̣nh vi ̣, và 𝑓𝐿1 và 𝑓𝐿2 tương ứng với tần số sóng mang của L1 và L2

Hình 1.2 cho thấy ba thành phần ta ̣o nên tín hiê ̣u tần số L1 Mã C/A lă ̣p la ̣i sau mỗi ms, và mô ̣t bit tín hiê ̣u đi ̣nh vi ̣ kéo dài 20 ms Vì vâ ̣y đối với mỗi bit tín hiê ̣u đi ̣nh vi ̣, tín hiê ̣u chứa 20 mã C/A

Hình 1.2 Cấu trúc tín hiê ̣u L1: f(t) là sóng mang và C(t) là chuỗi rời ra ̣c của mã C/A Nhìn vào hình vẽ thì tín hiê ̣u được lă ̣p la ̣i mỗi ms D(t) là dòng bit dữ liê ̣u rời ra ̣c Mô ̣t bit dữ liê ̣u đi ̣nh vi ̣ kéo dài trong 20 ms Ba thành phần của tín hiê ̣u L1 được nhân với nhau để ta ̣o thành tín hiê ̣u kết quả

Hình 1.3 cho thấy mã Gold C, dữ liê ̣u đi ̣nh vi ̣ D, mô đun cô ̣ng 2 tín hiê ̣u 𝐶 ⊕ 𝐷, và

sóng mang Tín hiê ̣u cuối cùng được ta ̣o ra bằng cách sử su ̣ng BPSK ta ̣i đó sóng mang đươ ̣c chuyển pha 180𝑜 ngay lâ ̣p tức ta ̣i thời điểm đổi chip Khi mô ̣t bit dữ liê ̣u đi ̣nh vi ̣ xuất hiê ̣n, pha của tín hiê ̣u kết quả cũng được di ̣ch 180𝑜

Hình 1.3 Kết quả của quá trình điều chế BPSK của sóng mang L1 với mã C/A và tín hiê ̣u đi ̣nh vi ̣ đối với mô ̣t vê ̣ tinh Tín hiê ̣u kết quả L1 được sinh ra từ G, N, và tín hiê ̣u

sóng mang

1.3 C/A Code

Các mã nhiễu giả ngẫu nhiên (PRN – pseudorandom noise) được truyền từ các vê ̣ tinh GPS là các chuỗi xác đi ̣nh với các tính chất giống với nhiễu Mỗi mã C/A được sinh bằng phương pháp Linear Feedback Shift Register (LFSR) Nó sinh ra mô ̣t chuỗi có đô ̣ dài tối đa 𝑁 = 2𝑛− 1 thành phần

Mô ̣t mã Gold là tổng của hai chuỗi có đô ̣ dài tối đa Mã C/A của GPS sử du ̣ng 𝑛 = 10

Chuỗi p(t) lă ̣p la ̣i sau mỗi ms Hàm tương quan của mã C/A là:

Hình 1.4 Đồ thi ̣ thân của ACF đối với mô ̣t chuỗi ACF Thân bên trái có giá tri ̣ tương quan 𝑟𝑝(0) = 1; các giá tri ̣ tương quan khác là 102363 , −1

1023, hay −65

1023 Hình vẽ chỉ cho thấy

50 giá tri ̣ đầu tiên trong 1023 giá tri ̣

ACF có thể được thể hiê ̣n như là tổng của thành phần hằng số và chuỗi vô ha ̣n bởi phép tích châ ̣p của 𝑟𝑋(𝜏) với mô ̣t chuỗi vô ha ̣n các hàm xung đơn vi ̣ được di ̣ch pha với 𝑚𝑁𝑇𝐶:

1.4 Doppler Frequency Shift

Hê ̣ thống GPS thường phải đối mă ̣t với hiê ̣n tượng Doppler frequency shift (DFS) bi ̣ gây

ra bởi chuyển đô ̣ng tương đối giữa bô ̣ truyền tín hiê ̣u và bô ̣ thu tín hiê ̣u GPS Hiê ̣n tượng doppler frequency shift ảnh hưởng tới cả hai quá trình dò (acquisition) và bám (tracking) tín hiê ̣u GPS Đối với bô ̣ thu GPS cố đi ̣nh DFS tối đa đối với tần số L1 vào khoảng ±5 kHz và đối với bô ̣ thu GPS giả đi ̣nh di chuyển ở tốc đô ̣ cao thì DFS vào khoảng ±10 𝑘𝐻𝑧 DFS đối với mã C/A thì nhỏ bởi vì tốc đô ̣ chip của mã C/A thấp Mã C/A có tốc đô ̣ chip là 1.023 Mhz, nó thấp hơn 1575.42/1.023 = 1540 lần so với tần số sóng mang L1 Do đó DFS của mã C/A là 3.2 Hz và 6.4 Hz tương ứng với bô ̣ thu GPS cố đi ̣nh và di đô ̣ng

1.5 Code Tracking

Viê ̣c thu tín hiê ̣u GPS gă ̣p phải mô ̣t vấn đề cổ điển, cu ̣ thể là vấn đề code tracking có thể đươ ̣c giải quyết bằng sơ đồ DLL (delay-locked loop) dựa trên bô ̣ phân tách early-late (early-late discriminator)

Bô ̣ phát hiê ̣n loop-error (loop-error detector) hay bô ̣ phát hiê ̣n lă ̣p (loop discriminator) dựa trên cấu trúc của mô ̣t bô ̣ tương quan hai tham số Mỗi bô ̣ tương quan được thiết lâ ̣p với mô ̣t khoảng thời gian chênh tương đối để nhâ ̣n được pha thời gian của mã tín hiê ̣u

mô ̣t cách tức thì, đó là viê ̣c sinh ra tín hiê ̣u early và tín hiê ̣u late Kết hợp tín hiê ̣u early và tín hiê ̣u late sẽ cho ra ra mô ̣t tín hiê ̣u báo lỗi (error signal), hướng tới viê ̣c loa ̣i bỏ lỗi delay-tracking

Bô ̣ lă ̣p code tracking có thể được thiết kế như là mô ̣t:

 Vòng khóa trễ đồng bô ̣ (Coherent delay lock loop - DLL)

 Vòng khóa trễ bất đồng bô ̣ (Noncoherent DLL)

Coherent DLL yêu cầu bô ̣ phase lock loop (PLL) phải khóa la ̣i, nó sẽ bám theo pha của sóng mang và các bit dữ liê ̣u đi ̣nh vi ̣ sẽ được loa ̣i ra khỏi tín hiê ̣u Noncoherent DLL có thể bám theo mã ta ̣i thời điểm hiê ̣n ta ̣i của bit dữ liê ̣u đi ̣nh vi ̣ và PLL thì không cần phải khóa

Tín hiê ̣u vào được tách thành hai đường và tương ứng với hai phiên bản của mã PRN đươ ̣c sinh nô ̣i bô ̣: mô ̣t là early và mô ̣t là late Hai phiên bản cách đều nhau vào khoảng

mô ̣t dấu nhắc của mã PRN, thông thường là ±0.5 chip Sau khi tách ra thì cả hai trở thành nhánh pha I và nhánh vuông góc Q Viê ̣c đánh giá của ACF trong cả 6 tín hiê ̣u

𝐼𝐸, 𝐼𝐿, 𝐼𝑃, 𝑄𝐸, 𝑄𝐿, 𝑄𝑃, trong đó E là early, L là late và P là promptly, dựa vào tổng của từng tín hiê ̣u trong khoảng thời gian T Thông thường 𝑇 =501 𝑠, tương đương với thời gian truyền mô ̣t bit của các bit dữ liê ̣u đi ̣nh vi ̣ Khoảng thời gian giữa các bit dữ liê ̣u này luôn cố đi ̣nh

ACF đối với các tín hiê ̣u được nói ở trên có thể được sử du ̣ng để thiếp lâ ̣p cho các bô ̣ phân tách mã tương ứng Bô ̣ phân tách early-late được nhâ ̣n bằng cách lấy bản sao early trừ đi bản sao late của hàm tương quan Khoảng cách tương quan d giữa mã early và mã late được thiết lâ ̣p là 0.5 chip; nhìn hình 1.5

Hình 1.5 Hai tam giác biểu thi ̣ ACF của early và late Trong hình bên trái hai tam giác

cách nhau mô ̣t khoảng d = 1 chip (tương quan rô ̣ng – wide correlator), và hình bên phải cho thấy khoảng cách d = 0.5 chip (tương quan he ̣p – narrow correlator) Cả hai sự

phân tách này có đô ̣ nghiêng giống nhau và gần với tín hiê ̣u gốc

Code tracking loop là mô ̣t thiết bi ̣ dùng để đánh giá sự sai khác về mă ̣t thời gian giữa mã nhận đươ ̣c và mã tham chiếu Nếu hiê ̣u này bằng không thì có nghĩa là nhâ ̣n được pseudorang hoă ̣c code phase Null tracking xảy ra khi trừ tương quan early cho tương quan late Kết quả của hiê ̣u này được go ̣i là discriminator function Đối với DLL đồng

Đối với DLL bất đồng bô ̣, discriminator function là:

𝐷(𝑡) = 𝑅2(𝑡 +𝑑

2) − 𝑅

2(𝑡 −𝑑

2) Nhìn hình 1.6

Hình 1.6 Các hàm phân tách đồng bô ̣ (đườn nét liền) và bất đồng bô ̣ (đường nét đứt)

1.6 Navigation Data

Dữ liê ̣u đi ̣nh vi ̣ được truyền trên tần số L1 với tốc đô ̣ bit là 50 bps Hình 1.5 miêu tả toàn

bô ̣ cấu trúc của mô ̣t thông điê ̣p đi ̣nh vi ̣ hoàn chỉnh

Đi ̣nh da ̣ng cơ bản của dữ liê ̣u đi ̣nh vi ̣ là mô ̣t frame có đô ̣ dài 1500 bit chứa 5 subframes, mỗi subframe có đô ̣ dài 300 bit Mô ̣t subframe chứa 10 word, mỗi word có đô ̣ dài 30 bit Subframe 1, 2 và 3 được lă ̣p la ̣i in mỗi frame Các subframe cuối 4 và 5 có 25 phiên bản (với cùng cấu trúc, nhưng khác về dữ liê ̣u) hay được go ̣i là trang 1 đến 25 Với tốc đô ̣ bit

50 bps, viê ̣c truyền mô ̣t subframe mất 6s, mô ̣t frame mất 30s và mô ̣t thông điê ̣p đi ̣nh vi ̣ hoàn chỉnh mất 12.5 phút

Hình 1.7 Cấu trúc dữ liê ̣u đi ̣nh vi ̣ của tín hiê ̣u GPS Mỗi subframe chứa 300 bits kéo dài trong 6s Subframes 1, 2 và 3 đươ ̣c lă ̣p la ̣i sau 30s trong khi đó subframe 4 và 5 có 25 phiên bản trước khi được lă ̣p la ̣i Như vâ ̣y, mô ̣t thông điê ̣p đi ̣nh vi ̣ hoàn chỉnh được lă ̣p

la ̣i sau 12.5 phút

1.6.1 Telemetry and Handover Words

Các subframe của 10 word luôn bắt đầu với hai word đă ̣c biê ̣t, mô ̣t că ̣p telemetry (TLM) và handover word (HOW)

TLM là word đầu tiên của mỗi subframe và nó được lă ̣p la ̣i sau 6s Nó chứa 8-bit preamble, sau đó là 16 bit dự trữ và sửa lỗi (parity) Preamble đươ ̣c sử du ̣ng cho viê ̣c đồng bô ̣ các frame

HOW chứa 17-bit của phiên bản rút go ̣n của giờ trong tuần (TOW-Time of week), sau đó là hai cờ cung cấp thông tin để sử du ̣ng trong chống giả ma ̣o (antispoofing), v.v… 3-bit tiếp theo chỉ ra subframe ID

1.6.2 Data in Navigation Message

Ngoài TLM và HOW word, mỗi subframe còn chứa 8-word dữ liê ̣u Những thông tin này chỉ là mô ̣t sự miêu tả sơ bô ̣ của dữ liê ̣u trong các word khác nhau và không phải là sự miêu tả hoàn chỉnh của tất cả các bit

Subframe 1 – Dữ liê ̣u trạng thái và đồng hồ của vê ̣ tinh (Satellite Clock and Health Data), subframe đầu tiên chứa tất cả thông tin về đồng hồ Đó là thông tin cần để tính toán thời điểm mà thông điê ̣p đi ̣nh vi ̣ được truyền từ vê ̣ tinh Subframe 1 còn chứa dữ liê ̣u tra ̣ng thái cho biết liê ̣u dữ liê ̣u có đáng tin câ ̣y hay không

Subframe 2 và 3 – Dữ liê ̣u li ̣ch thiên văn của vê ̣ tinh (Satellite Ephemeris), subframe 2

và 3 chứa dữ liê ̣u thiên văn của vê ̣ tinh Dữ liê ̣u thiên văn liê ̣n quan tới quỹ đa ̣o và đươ ̣c dùng để tính toán vi ̣ trí của vê ̣ tinh

Subframe 4 và 5 – Dữ liê ̣u phụ trợ (Support Data), 2-subframe cuối được lă ̣p la ̣i sau 12.5

phút, như vâ ̣y có 50-subframe Subframe 4 và 5 chứa dữ liê ̣u li ̣ch (almanac data) Dữ liê ̣u li ̣ch chính là dữ liê ̣u thiên văn và dữ liê ̣u đồng hồ với đô ̣ chính xác bi ̣ giảm thiểu Bên ca ̣nh đó, mỗi vê ̣ tinh truyền dữ liê ̣u li ̣ch cho tất cả các vê ̣ tinh GPS khác trong khi nó chỉ truyền dữ liê ̣u thiên văn cho chính nó Phần còn la ̣i của subframe

4 và 5 chứa nhiều dữ liê ̣u khác như các thông số UTC, các thông số về tầng điê ̣n

ly, thông số về tra ̣ng thái hoa ̣t đô ̣ng

Chương 2

Tín hiê ̣u GPS sau khi được thu bởi antenna sẽ được đưa vào bô ̣ front-end Để có thể hiểu đươ ̣c dòng chảy cũng như quá trình xử lý tín hiê ̣u GPS bên trong bô ̣ front-end diễn ra như thế nào thì viê ̣c nắm rõ được các thành phần cấu ta ̣o nên mô ̣t bô ̣ front-end là hết sức quan tro ̣ng Nô ̣i dung chương này nhằm giới thiê ̣u và miêu tả công du ̣ng và các tính chất

củ a từng thành phần riêng biê ̣t ta ̣o nên mô ̣t bô ̣ front-end thông thường

2.1 Tổng quan

Phần này sẽ tâ ̣p trung vào thuâ ̣t toán xử lý tín hiê ̣u GNSS Quá trình xử lý bắt đầu với tín hiê ̣u GNSS, được truyền tới antenna thu GNSS [2] Trong đó chứa thành phần về mức điê ̣n áp Mức điê ̣n áp này rất yếu, tương ứng với mức công suất là -160 dBW trong trường hợp của GPS và có tần số sóng mang là 1575.42 MHz Xem xét mô ̣t băng thông

2 MHz, công suất của tín hiê ̣u GPS nhâ ̣n được nằm dưới mức nhiễu nền, được minh ho ̣a trong hình 2.1 và được đi ̣nh nghĩa bởi công thức 2.1

Hình 2.1 Mô tả trên miền tần số của tín hiê ̣u GPS và công suất của nhiễu nền

30 dBm = 1 dBW Tần số trung tâm là 1575.42 MHz

Với 𝑘 = 1.38 ⋅ 10−23 J/oK, nhiê ̣t đô ̣ tuyê ̣t đối t tính bằng oK, và băng thông của nhiễu tương ứng là B đơn vi ̣ Hz, thì:

𝑃𝑇ℎ𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑁𝑜𝑖𝑠𝑒 = 𝑘𝑡𝐵 (2.1)

Đối với mã C/A của tín hiê ̣u GPS thì 𝑃𝑇ℎ𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑁𝑜𝑖𝑠𝑒 có thể xấp xỉ 1.38 ⋅ 10−23 × 290 ×

2 ⋅ 106 = 8.004 ⋅ 10−15 hoă ̣c được tính bằng dB như sau 10 × log10(8.004 ⋅ 10−15) =

−140.97 𝑑𝐵𝑊 = −110.97𝑑𝐵𝑚

Điều này khá là đô ̣c đáo trong lĩnh vực truyền sóng vô tuyến Ví du ̣, nếu kết nối mô ̣t antenna GPS truyền thống với mô ̣t máy phân tích phổ và dò tìm tín hiê ̣u GPS, thì sẽ thấy rằng các đă ̣c tính của tín hiê ̣u quan sát được bi ̣ ẩn đi và chỉ nhìn thấy nhiễu nền Đây là

mô ̣t tính năng của tín hiê ̣u trải phổ đa truy nhâ ̣p phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) và yêu cầu quá trình xử lý tín hiê ̣u tương ứng với tín hiê ̣u đươ ̣c thu thâ ̣p và xử lý Điều này có nghĩa là viê ̣c thiết kế bô ̣ thu là dựa vào mức đô ̣ của nhiễu nền nhiều hơn là dựa vào tín hiê ̣u đi ̣nh vi ̣ băng tần L1 nhâ ̣n được Vì vâ ̣y, mức điê ̣n áp của thành phần trong kết quả thu được của GNSS antenna là của nhiễu nền và các tín hiê ̣u của GNSS từ các vê ̣ tinh

Mức điê ̣n áp tương tự là kết quả của tia tín hiê ̣u GPS và nhiễu nền vẫn còn quá yếu và ở tần số quá cao đối với viê ̣c xử lý của các bô ̣ chuyển đổi tương tự – số (ADCs) Để giải quyết vấn đề này, front-end sẽ sử du ̣ng mô ̣t sự kết hợp của các bô ̣ khuếch đa ̣i, bô ̣ trô ̣n tín hiê ̣u, bô ̣ lo ̣c, và các bô ̣ ta ̣o dao đô ̣ng riêng để quy ước điê ̣n áp tới antenna, để đưa ra các mẫu tín hiê ̣u số

Bô ̣ thu GNSS L1 với đầy đủ cách thức hoa ̣t đô ̣ng được miêu tả trong hình 2.2

Hình 2.2 Bô ̣ thu GNSS L1

2.2 Ca ́ c thành phần của bô ̣ thu GNSS L1

2.2.1 GNSS Antenna

Antenna đươ ̣c thiết kế để có thể thu nhâ ̣n mức điê ̣n áp sinh ra từ sóng vô tuyến ta ̣i tần số GNSS L1 hay 1575.42 MHz Nói cách khác thì nó được thiết kế để thu nhâ ̣n băng tần phù hợp vơí các tín hiê ̣u mong muốn Điều này thường được xét dựa vào hai tham số là: Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) và trở kháng (impedance) Cu ̣ thể là tất cả các thành phần của bô ̣ thu GNSS sử du ̣ng trở kháng 50Ω, mức trở kháng này là đă ̣c thù của phần lớn các thiết kế RF VSWR là mức đô ̣ của sự chênh lê ̣ch trở kháng hay mức đô ̣ hấp thu năng lươ ̣ng là bao nhiêu và phản xa ̣ la ̣i bao nhiêu Mô ̣t VSWR đa ̣t yêu cầu ở mức 2.0:1, tương đương với 90% công suất hấp thu qua băng thông của tần số mong muốn Sự phân cực (Polarization) xét đến chiều hướng của điê ̣n trường từ các lan truyền tần số

vô tuyến Tín hiê ̣u GNSS thu được là right-hand circularly polarized (RHCP), và antenna

phải được thiết kế như vâ ̣y Mô ̣t trong những nguyên nhân gây lỗi cho GNSS là multipath Khi tín hiê ̣u GNSS bi ̣ phản xa ̣ từ mô ̣t đối tượng, mô ̣t trường hợp không mong muốn đối với mô ̣t hê ̣ thống cố gắng đo thời gian bay, sự phân cực sẽ lâ ̣t sang left-hand circular polarization (LHCP) Một antenna RHCP khá hiê ̣u quả trong viê ̣c chă ̣n các phản

xa ̣ LHCP và giảm thiểu kiểu lỗi này Tất nhiên, khi phản xa ̣ lần thứ hai thì sẽ thiết lâ ̣p

la ̣i sự phân cực RHCP, nhưng công suất tín hiê ̣u cũng chắc chắn bi ̣ suy yếu và là kết quả của nhiều lần phản xa ̣ Do đó, sự phân cực của antenna GNSS cung cấp mô ̣t mức đô ̣ quan tro ̣ng trong viê ̣c chă ̣n các sai số của phản xa ̣ đa đường

Kết cấu của antenna miêu tả tính đi ̣nh hướng của nó Hầu hết ý kiến cho rằng kết cấu của antenna có thể nhâ ̣n tín hiê ̣u tương đương nhau từ mo ̣i hướng – đây go ̣i là antenna đẳng hướng Tuy nhiên, kết cấu thu tín hiê ̣u đồng đều như vâ ̣y không có ý nghĩa với GNSS Bởi vì tín hiê ̣u nguồn, các vê ̣ tinh GNSS, ở phía trên mă ̣t cầu của các antenna, đươ ̣c thiết kế chỉ để nhâ ̣n tín hiê ̣u từ các góc ngẩng tích cực theo mo ̣i phương vi ̣ Với vấn đề về multipath và hầu hết các tia multipath đến từ góc ngẩng thấp, các antenna được thiết kế như vâ ̣y để có thể nhâ ̣n được tín hiê ̣u với góc ngẩng từ 10o-20o Vớ i thiết kế như

vâ ̣y chắc chắn làm giảm đi sự phản xa ̣ của multipath, nhưng cũng có ha ̣n chế là các tín hiê ̣u vê ̣ tinh với góc ngẩng thấp sẽ bi ̣ bỏ qua, do đó sẽ làm giảm khả năng của các phép

đo đa ̣c vê ̣ tinh

Mô ̣t tham số quan tro ̣ng trong thiết kế bô ̣ thu là các hê ̣ số nhiễu tổng thể F n củ a hê ̣ thống Tham số này xác đi ̣nh số lượng nhiễu được thêm vào tín hiê ̣u tương tự Dĩ nhiên, bất kỳ sự tăng hoă ̣c giảm nhiễu trong tỉ lê ̣ tín hiê ̣u trên nhiễu (SNR) là điều không mong muốn và cần phải ha ̣n chế ở mức tối thiểu

Biểu thi ̣ cho hê ̣ số nhiễu của hê ̣ thống là 𝐹𝑠𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚, 𝐹𝑛 là hê ̣ số nhiễu của thành phần bâ ̣c thứ n, và hê ̣ số khuếch đa ̣i (gain) của thành phần bâ ̣c thứ n là Gn, công thức cho hê ̣ số nhiễu là:

Lấy ví du ̣, khi xem xét hoa ̣t đô ̣ng của bô ̣ thu GNSS trong môi trường lao đô ̣ng Vi ̣ trí tối

ưu đối vưới GNSS antenna là được đă ̣t trên mái nhà, không có bất kỳ vâ ̣t cản nào Trong hầu hết các trường hợp, yêu cầu có mô ̣t dây cáp cha ̣y dài tới bô ̣ thu GNSS được nối vào front-end của nó Dây cáp RF từ antenna tới font-end sẽ là thành phần đầu tiên trong chuỗi các thành phần truyền dẫn Do các dây cáp RF có mô ̣t sự suy giảm nhất đi ̣nh, hay còn go ̣i là hê ̣ số nhiễu, hê ̣ số nhiễu của hê ̣ thống sẽ bi ̣ giảm mô ̣t cách nghiêm tro ̣ng Điều này có thể được cải thiê ̣n nếu mô ̣t bô ̣ khuếch đa ̣i có thể được tích hợp ở trong antenna

đă ̣t trước dây cáp dài Điều này là khá là bình thường trong các GNSS antenna , và cũng là mô ̣t thiết kế được go ̣i là active antenna và được đă ̣c trưng bởi hê ̣ số khuếch đa ̣i của bô ̣ khuếch đa ̣i

Với active antenna sẽ có mô ̣t chút phức ta ̣p bởi vì bản thân antenna bây giờ được coi như là mô ̣t thành phần chủ đô ̣ng và cần có nguồn cấp cho bô ̣ khuếch đa ̣i bên trong Điều này có thể được giải quyết bằng cách sử du ̣ng mô ̣t bias-tee Thành phần bias-tee có ba cổng:

RF, RF+DC, và DC Thành phần này đưa nguồn DC vào dây cáp antenna từ front-end tới nguồn của bô ̣ khuếch đa ̣i bên trong antenna Do đó, dây cáp của antenna được tâ ̣n

du ̣ng để truyền tín hiê ̣u GNSS từ antenna tới khối biến đổi tín hiê ̣u analog và sau đó nó sẽ cung cấp điê ̣n áp DC tớ bô ̣ khuếch đa ̣i trong antenna

2.2.2 Filter

Thành phần đầu tiên trong đường đi của RF là bô ̣ lo ̣c (filter) Bô ̣ lo ̣c là mô ̣t bô ̣ cho ̣n tần số, nó chỉ cho phép mô ̣t dải tần số xác đi ̣nh đi qua và làm suy yếu các tần số còn la ̣i

Bô ̣ lo ̣c đầu tiên trong hình 2.2 là mô ̣t bô ̣ lo ̣c thông dải, khác với bô ̣ lo ̣c thông thấp và bô ̣

lo ̣c thông cao, nhiê ̣m vu ̣ của nó là cung cấp thêm khả năng cho ̣n lo ̣c tần số Lý tưởng nhất, là antenna chỉ thu các mức điê ̣n áp chính xác với dải băng tần mà nó muốn Tuy nhiên, antenna, cũng như các bô ̣ lo ̣c không phải là lý tưởng Thành phần lý tưởng sẽ đi qua vùng tần số cho phép và làm suy giảm hoàn toàn các thành phần nằm ngoài vùng tần số đó Thâ ̣t không may, bô ̣ lo ̣c như vâ ̣y không tồn ta ̣i, và quá trình chuyển đổi giữa các tần số mà được đi qua hay bi ̣ loa ̣i bỏ là mô ̣t sự biến đổi thoải dần Thâ ̣m chí năng lươ ̣ng tín hiê ̣u ta ̣i tần số cho phép đi qua cũng bi ̣ suy giảm

Những antenna thông thường có khả năng cho ̣n lo ̣c tần số không được tốt lắm Khi xem xét điều này cùng với các mức năng lượng tín hiê ̣u thu được, điều quan tro ̣ng là phải loa ̣i bỏ được các nguồn tín hiê ̣u có mức năng lượng cao, nằm ngoài dải tần cho phép mà có thể sẽ đi vào front-end và lẫn vào các thành phần ở giai đoa ̣n sau Vì lý do này mà bô ̣ lo ̣c thông giải được đă ̣t ngay sau antenna

Các bô ̣ lo ̣c có thể mô tả bởi insertion loss, hay còn go ̣i là sự suy giảm năng lượng của

các thành phần tần số mong muốn Lý tưởng nhất, là không xảy ra insertion loss, nhưng điều đó là không thể trong thực tế, và giá tri ̣ này càng nhỏ thì càng tốt Insertion loss của

bô ̣ lo ̣c sẽ gây ra mô ̣t hê ̣ số nhiễu khi nó đă ̣t trước bô ̣ khuếch đa ̣i đầu tiên Tuy nhiên, điều này cũng thường thấy trong trường hợp để ha ̣n chế các vấn đề về các giải tần liên tiếp nhau được cho ̣n lo ̣c mô ̣t cách ha ̣n chế của antenna Nếu bô ̣ thu được hoa ̣t đô ̣ng trong môi trường không có các bô ̣ truyền băng tần liền kề công suất lớn đă ̣t gần nhau, thì bô ̣ lo ̣c là không cần thiết và vi ̣ trí của bô ̣ khuếch đa ̣i và bô ̣ lo ̣c có thể chuyển đổi cho nhau Hay tác đô ̣ng tới hê ̣ số nhiễu có thể được giảm thiểu bằng cách lựa cho ̣n bô ̣ lo ̣c với insertion loss thấp

Hình 2.3 Sự so sánh của các bô ̣ lo ̣c thông giải

Tham số thứ hai của bô ̣ lo ̣c là băng thông (bandwidth) Vì không có bô ̣ lo ̣c lý tưởng, thông thườ ng thì băng thông của mô ̣t bô ̣ lo ̣c cu ̣ thể là 3 dB Điều này cho thấy rằng sự suy giảm năng lượng tần số sẽ là 3 dB (50% năng lượng tín hiê ̣u) Tuy nhiên, Hai tham số này không thể mô tả hoàn toàn hầu hết các bô ̣ lo ̣c mà chỉ cung cấp mô ̣t vài thông tin về hiê ̣u năng của bô ̣ lo ̣c, các đă ̣c tính này được thể hiê ̣n trong hình 2.3

Ưu điểm trong thiết kế của bô ̣ lo ̣c là để cung cấp sự chuyển tiếp đô ̣t ngô ̣t (sharp transition) giữa dải tần mong muốn và các tần số không bi ̣ loa ̣i bỏ (cutoff) trong khi đó vẫn duy trì

mô ̣t insertion loss tối thiểu

2.2.3 Amplifier

Sự khuếch đa ̣i là quá trình làm tăng cường đô ̣ của tín hiê ̣u Do đó, bô ̣ khuếch đa ̣i là thành phần chi ̣u trách nhiê ̣m thực hiê ̣n công viê ̣c đó Khác với bô ̣ lo ̣c, bô ̣ khuếch đa ̣i là thành phần chủ đô ̣ng và cần có năng lượng để thực hiê ̣n chức năng của nó Mô ̣t bô ̣ khuếch đa ̣i

lý tưởng sẽ chỉ làm tăng biên đô ̣ của tín hiê ̣u Tuy nhiên, bất kỳ bô ̣ khuếch đa ̣i thương

ma ̣i nào cũng không chỉ làm tăng biên đô ̣ mà còn làm tăng cả nhiễu tín hiê ̣u

Các thông số cơ bản được sử du ̣ng để mô tả mô ̣t bô ̣ khuếch đa ̣i là:

1 gain, thườ ng đươ ̣c tính bằng dB

2 specified frequency range, phạm vi tần số đươ ̣c quy đi ̣nh

3 noise figure, hệ số nhiễu đươ ̣c tính bằng dB, và biểu thi ̣ mức đô ̣ của nhiễu sẽ

bi ̣ đưa vào tín hiê ̣u khi qua bô ̣ khuếch đa ̣i

Hình 2.2 cho thấy mô ̣t bô ̣ khuếch đa ̣i có thể khuếch đa ̣i tín hiê ̣u thêm 50 dB Thực tế thì không có bô ̣ khuếch đa ̣i nào có khả năng như vâ ̣y Bô ̣ khuếch đa ̣i được nhìn thấy trong hình 2.2 có thể được xây dựng từ các bô ̣ khuếch đa ̣i đa tầng

2.2.4 Mixer/Local Oscillator

Chức năng cơ bản của sự kết hợp bô ̣ mixer/local oscillator là đưa sóng mang có tần số 1575.42 MHz về trung tần (IF) mà vẫn giữ nguyên cấu trúc tín hiê ̣u Chức năng của công viê ̣c này là đưa tần số tín hiê ̣u về pha ̣m vi xử lý của bô ̣ chuyển đổi tương tự – số (ADC) Dao đô ̣ng cu ̣c bô ̣ cho bô ̣ thu GNSS là sự kết hợp của nhiều thành phần Hầu hết các bô ̣

ta ̣o dao đô ̣ng tha ̣ch anh không thể sinh ra được tần số dao đô ̣ng mong muốn cho tín hiê ̣u GNSS L1 Do đó, mô ̣t bô ̣ phase lock loop (PLL) kết hợp với tha ̣ch anh để đưa ra tần số dao đô ̣ng cu ̣c bô ̣ mong muốn Thêm nữa, dao đô ̣ng cu ̣c bô ̣ này còn được chia ra để phu ̣c

vu ̣ chức năng khác như là xung để lấy mẫu tín hiê ̣u

Bô ̣ trô ̣n tín hiê ̣u hoa ̣t đô ̣ng dựa trên đồng nhất thức lượng giác sau:

cos(𝜔1𝑡) cos(𝜔2𝑡) =1

2cos((𝜔1− 𝜔2)𝑡) +

1

2cos((𝜔1+ 𝜔2)𝑡) (2.3)

Công thức này thể hiê ̣n quá trình trô ̣n tín hiê ̣u được sử du ̣ng trong thiết kế bô ̣ thu ở hình 2.2 Trong trườ ng hơ ̣p này 𝜔1 bằng tần số trung tâm GNSS L1 1575.42 MHz và trung tần mong muốn là 47.74 MHz, thì tần số giao đô ̣ng cu ̣c bô ̣ 𝜔2 sẽ là (1575.42 − 47.74)𝑀𝐻𝑧 = 1527.68 𝑀𝐻𝑧

bô ̣ lo ̣c thứ hai như trong hình 2.2, ngay sau bô ̣ trô ̣n tín hiê ̣u, được sử du ̣ng chỉ để cho phép thành phần tần số hiê ̣u đi qua

Chú ý rằng trong hình 2.2 mô ̣t bô ̣ lo ̣c thông giải được sử du ̣ng trong quá trình này Tuy nhiên trên thực tế để loa ̣i bỏ thành phần tần số tổng, chỉ cần sử du ̣ng bô ̣ lo ̣c thông thấp là đủ Trong nhiều trường hợp thì điều này là đúng; tuy nhiên, Công thức (2.3) và (2.4) thể hiê ̣n mô ̣t mô hình rút go ̣n của bô ̣ trô ̣n tín hiê ̣u, mà trên thực tế thì phức ta ̣p hơn nhiều Các thông số của bô ̣ mixer gồm có conversion loss, isolation, dynamic range và intermodulation

Với sự kết hợp của bô ̣ trô ̣n tín hiê ̣u (mixer) và bô ̣ ta ̣o dao đô ̣ng cu ̣c bô ̣ (local oscillator) lúc này đã có thể chuyển đổi tín hiê ̣u tần số vô tuyến RF về trung tần IF Như đã đề câ ̣p ở trên thì công viê ̣c này là để phu ̣c vu ̣ cho quá trình chuyển đổi của bô ̣ ADC, nhưng đây không phải là lý do duy nhất giải thích vì sao viê ̣c chuyển đổi tần số la ̣i quan tro ̣ng trong

bô ̣ thu GNSS đến vâ ̣y Có hai lý do:

Thứ nhất là chất lượng và giá thành của các thành phần trong bô ̣ thu Khó khăn trong phát triển bô ̣ thu mềm GNSS với tín hiê ̣u băng tần he ̣p L1 (narrowband L1 signals), băng tần he ̣p được quy đi ̣nh 2-8 MHz, là viê ̣c chế ta ̣o các bô ̣ lo ̣c băng tần he ̣p ta ̣i tần số cao