Các công nghệ định hướng, định vị và ứng dụng trong kiểm soát tần số

Từ đây, ta có thể mô tả sơ đồ khối đơn giản của máy thu định hướng sử dụng nguyên lý giả Doppler như sau: RF in Audio out Đo và chỉ thị góc phương vị θ Tạo các tín hiệu điều khiển Hình 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN KHẮC HUỲNH

CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH HƯỚNG, ĐỊNH VỊ VÀ ỨNG DỤNG

TRONG KIỂM SOÁT TẦN SỐ

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HÀ NỘI – 2014

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN KHẮC HUỲNH

CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH HƯỚNG, ĐỊNH VỊ VÀ ỨNG

DỤNG TRONG KIỂM SOÁT TẦN SỐ

NGÀNH: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ: 60 52 02 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN MINH TUẤN

HÀ NỘI – 2014

2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn “Các công nghệ định hướng, định vị

và ứng dụng trong kiểm soát tần số ” là sản phẩm do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn

của PGS.TS.Trần Minh Tuấn Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất cả cáctài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình

Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2014

TÁC GIẢ

Nguyễn Khắc Huỳnh

1

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các các thầy cô giáo trongKhoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ tận tình và chu đáo để tôi có môi trường tốt học tập và nghiên cứu

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Trần Minh Tuấn người trực tiếp đã hướng dẫn, chỉ bảo tôi tận tình trong suốt quá trình nghiên

cứu và hoàn thiện luận văn này

Một lần nữa tôi xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua Tôi xin kính chúc các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn mạnh khỏe và hạnh phúc

Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2014

TÁC GIẢ

Nguyễn Khắc Huỳnh

2

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6

LỜI MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG I: CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH HƯỚNG NGUỒN PHÁT XẠ 9

1.1 Định hướng sử dụng anten có hướng tính cao 9

1.2 Ứng dụng hiệu ứng Doppler. 10

1.3 Nguyên lý Watson-Watt. 12

1.4 Nguyên lý so pha 18

1.5 Nguyên lý so pha tương quan 19

CHƯƠNG II: ĐỊNH VỊ NGUỒN PHÁT XẠ VÔ TUYẾN VÀ ỨNG DỤNG TRONG KIỂM SOÁT TẦN SỐ 34

2.1 Ứng dụng ịnh hướng ngu n ph t v tuy n iện trong i so t tần s 34

2.2 Kỹ thuật ịnh vị thủ c ng 34

2.3 Kỹ thuật ịnh vị triangulation 35

2.4 Định vị TDOA 36

CHƯƠNG III: ĐỊNH HƯỚNG ĐỊNH VỊ NGUỒN GÂY NHIỄU TRONG THỰC TẾ 41 3.1 Đ nh gi ph vi ảnh hưởng của ngu n nhiễu c ng suất thấp 41

3.2 Định hướng, ịnh vị ngu n nhiễu bằng thi t bị so pha tương quan. 42

3.3 Định vị TDOA 53

3.4 Nhận ét 58

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

4

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Kết quả định hướng tại Thành phố Vinh 44

Bảng 3.2: Kết quả định hướng tại Thành phố Cần Thơ 47

Bảng 3.3: Kết quả định hướng tại Thành phố Long Xuyên – An Giang 50

Bảng 3.5: Tổng kết thử nghiệm định vị TDOA 58

5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Thiết bị định hướng theo nguyên lý cực đại

Hình 1.2: Tạo giản đồ hướng cực tiểu từ việc cộng giản đồ hướng của 2 anten

Hình 1.3: Hiệu ứng Doppler

Hình 1.4: Mô tả qua trình quét anten và dạng sóng sin Doppler thu được

Hình 1.5: Sơ đồ khối đơn giản máy thu định hướng sử dụng nguyên lý Doppler

Hình 1.6: Máy định hướng Watson-Watt với anten vòng chéo

Hình 1.7: Anten Adcock

Hình 1.8: Phân tích nguyên tắc tạo các tín hiệu mang thông tin về góc phương vị của anten Adcock

Hình 1.10: Cấu hình một bộ định hướng hiện đại vận hành theo nguyên lý Watson-Watt

Hình 1.11: Hệ thống định hướng theo nguyên lý so pha

Hình 1.12 So pha tương quan

Hình 1.13 : Thiết bị so pha với N kênh thu

Hình 1.14: Xác định biên độ phức của năng lượng trường điện từ trong mảng anten có n phần tử

Hình 1.15: Giao thoa so pha với hệ thống anten 3 phần tử

Hình 1.16: Thiết bị giao thoa tương quan

Hình 1.17: Phổ của tín hiệu vô tuyến điện được thu đồng thời bởi máy thu dải rộng Hình 1.18: Sơ đồ búp sóng, góc ngẩng 60o

Hình 1.19: Sự phụ thuộc của búp sóng của mảng anten 8 phần tử vào góc ngẩng của RES:(a) β = 0; (b) β = 30◦; (c) β = 60◦

Hình 1.20: Sự phụ thuộc của búp sóng của mảng anten 8 phần tử vào góc ngẩng của RES với f = 250 MHz (trái) và f = 500 MHz (phải):

6

(a) β = 0 , (b) β = 30◦ , (c) β = 60◦

Hình 1.21: Sơ đồ vector của các tín hiệu

Hình 1.22: Máy thu so pha tương quan 1 kênh

Hình 2.1 Định vị sử dụng thiết bị định hướng cầm tay

Hình 2.2 Định vị triangulation

Hình 2.3: Định vị TDOA

Hình 2.4: Thuật toán TDOA

Hình 2.5: Sơ đồ tính toán TDOA

Hình 2.6: Ước tính vị trí trong định vị TDOA

Hình 3.1: Mô phỏng nguồn gây nhiễu băng VHF

Hình 3.2: Mô phỏng nguồn gây nhiễu băng UHF

Hình 3.3: Định hướng tại Vinh

Hình 3.4 Công cụ tính toán góc Azimuth

Hình 3.5 : Phần mềm Scorpior Client

Hình 3.6: Định hướng tại Cần Thơ

Hình 3.7: Định hướng tại An Giang

Hình 3.8: Định hướng tại Kiên Giang

Hình 3.9: Vị trí các điểm đặt sensor (hình vuông màu vàng) và các điểm phát dùng bộ đàm cầm tay

Hình 3.10: Định vị đài FM 100MHz

Hình 3.11: Sai số định vị đài FM 100MHz

Hình 3.12: Định vị đài phát hình 770MHz

Hình 3.13: Kết quả định vị đài phát hình 770MHz

Hình 3.14: Định vị đài Taxi Sao Việt 167.725Mhz

7

Hình 3.15: Sai số định vị đài Taxi Sao Việt 57

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự bùng nổ của truyền dẫn vô tuyến, tần số vô tuyến điện trở thànhmột nguồn tài nguyên hữu hạn vô cùng quý giá, và ngày càng trở nên chật hẹp, vì vậycần được sử dụng một cách hiệu quả Với việc ngày càng có nhiều nguồn phát vôtuyến dẫn tới việc xuất hiện ngày càng nhiều các nguồn gây nhiễu tiềm tàng (máy phát

có thể phát không đúng tần số được cấp phép, phát ra các sản phẩm hài, phát xạ ngoàibăng… gây can nhiễu tới các hệ thống thông tin vô tuyến khác) Bên cạnh đó, với sựphát triển của truyền dẫn thông tin số, việc giải điều chế các tín hiệu vô tuyến để từ nộidung đó, truy tìm ra nguồn nhiễu sẽ không khả thi, do vậy cần định hướng, định vịđược nguồn phát Từ những yêu cầu thực tế trên, luận văn “Các công nghệ địnhhướng, định vị và ứng dụng trong kiểm soát tần số” được thực hiện với mục đíchnghiên cứu, giới thiệu các công nghệ, kỹ thuật định hướng, định vị hiện có và việc ứngdụng các công nghệ trên vào công tác kiểm soát tần số

8

CHƯƠNG I: CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH HƯỚNG NGUỒN PHÁT

XẠ 1.1 Định hướng sử dụng anten có hướng tính cao

Đây là một kỹ thuật định hướng đơn giản, dựa vào đặc tính hướng của anten thu Hệthống định hướng chỉ gồm anten có hướng tính cao và 1 máy thu Việc xác định hướngsóng tới dựa trên nguyên lý: điện áp tín hiệu thu là một hàm của góc quay anten Đặcđiểm của phương pháp này là cấu trúc hệ thống đơn giản nhưng độ chính xác khôngcao, thời gian định hướng lớn Phương pháp này được sử dụng theo hai nguyên lý cơbản sau:

1.1.1 Định hướng theo nguyên lý cực đại.

Hình 1.1: Thiết bị định hướng theo nguyên lý cực đại

Sử dụng loại anten có tính hướng tính cao (độ rộng búp sóng cỡ vài độ), khi quayanten, hướng có cường độ tín hiệu cực đại chính là hướng đài phát đang hoạt động Sai

số định hướng lúc này có giá trị bằng một nửa độ rộng búp sóng của anten Trong giảitần sóng ngắn và sóng cực ngắn, việc chế tạo được anten có búp sóng cỡ vài độ là cực

kỳ khó khăn, vì vậy phương pháp này chỉ dùng ở giải tần cỡ vài GHz trở lên

1.1.2 Định hướng theo nguyên lý cực tiểu.

Ngược lại với máy thu định hướng theo nguyên lý cực đại, phương pháp này sử dụngcác loại anten có giản đồ hướng vùng cực tiểu của chúng là khá hẹp, lúc này hướng

9

của đài phát đang làm việc chính là hướng mà tại đó cường độ tín hiệu thu được là nhỏnhất Để tạo ra dạng giản đồ hướng cực tiểu hẹp thường sử dụng biện pháp bù trừ giản

đồ hướng của hai hoặc vài loại anten khác nhau Ví dụ, máy thu định hướng xách tayAN/PRC-10 của Mỹ sử dụng 2 anten Một anten khung có giản đồ hướng hình số 8 vàmột anten cần có giản đồ hướng tròn, khi cộng hai giản đồ hướng này với nhau, ta sẽnhận được một giản đồ hướng mong muốn dạng Cácđiôit

Giản đồ hướng anten khung

Giản đồ hướng anten cần

Giản đồ hướng tổng cộng

hình cácđiôitHình 1.2: Tạo giản đồ hướng cực tiểu từ việc cộng giản đồ hướng của 2 antenPhương pháp định hướng theo nguyên lý cực tiểu có ưu điểm là chỉ cần một máy thuvới anten có kết cấu gọn nhẹ, dễ triển khai, thuận tiện cho việc cơ động, trinh sát luồnlách vào gần khu vực đối phương Tuy nhiên do đo tại vùng cực tiểu của giản đồhướng anten nên độ nhạy chung của hệ thống giảm đáng kể và làm giảm cự ly làmviệc của máy thu định hướng Do vậy, máy thu định hướng cực tiểu thường là máy thuđịnh hướng cự ly gần, trang bị cho lực lượng trinh sát kỹ thuật luồn sâu đến sát khuvực của đối phương để thực hiện định hướng kiểm chứng số liệu về hướng do các đàitrinh sát tầm xa hơn đã xác định

1.2 Ứng dụng hiệu ứng Doppler.

Đây là một phương pháp được áp dụng khá phổ biến trong các máy thu định hướng dảisóng cực ngắn Phương pháp này sử dụng hiệu ứng Doppler để xác định hướng đếncủa nguồn phát xạ Hiệu ứng Doppler là hiệu ứng thay đổi tần số của tín hiệu thu khi

có sự chuyển động tương đổi giữa máy phát và máy thu Khi chuyển động này là theohướng tiến lại gần nhau thì tần số tín hiệu thu sẽ tăng lên một lượng ∆F gọi là tần sốDoppler Ngược lại, tần số thu sẽ giảm xuống Tần số Doppler sẽ đạt giá trị lớn nhất(về giá trị tuyệt đối ) nếu hướng chuyển động là trùng với hướng sóng tới Khi này, tacó:

∆F max =Với : v là vận tốc chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu

c = 3.10 8 m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không

Khi sự chuyển động là không trùng với hướng sóng tới thì ∆F giảm xuống Khi này ta có:

10

∆F =Với: ϕ là góc tạo bởi hướng chuyển động và hướng sóng tới.

ϕ

Hướng chuyển động tương đối giữa máy thu

và máy phát trùng với hướng lan truyền sóng

Hướng chuyển động tương đối giữa máy thu và

máy phát tạo với hướng lan truyền sóng một góc ϕ

mô phỏng được quá trình quay một anten bằng cơ khí Như vậy, ta sẽ có:

Hình 1.4: Mô tả qua trình quét anten và dạng sóng sin Doppler thu được

Tín hiệu sin Doppler sẽ cắt “0” tại hai điểm : điểm A (điểm anten gần nguồn phát nhất)

và điểm B (điểm xa nhất) Như vậy, ta chỉ việc xác định được vị trí điểm A so với điểmchuẩn (hướng Bắc) là xác định được góc phương vị θ

11

Từ đây, ta có thể mô tả sơ đồ khối đơn giản của máy thu định hướng sử dụng nguyên

lý giả Doppler như sau:

RF in Audio out

Đo và chỉ thị góc phương vị θ

Tạo các tín hiệu

điều khiển

Hình 1.5: Sơ đồ khối đơn giản máy thu định hướng sử dụng nguyên lý Doppler

Ta thấy rằng, cấu trúc của máy thu định hướng sử dụng nguyên lý Doppler là khá đơngiản Máy thu FM được sử dụng trong hệ thống không cần là máy thu chuyên dụng, cóthể lựa chọn loại máy bất kỳ, điều này cho phép thiết kế, chế tạo thiết bị thu địnhhướng trên cơ sở sử dụng các máy thu vô tuyến điện đã có sẵn

Khó khăn nhất đối với việc thiết kế, chế tạo máy thu định hướng sử dụng nguyên lýDoppler cơ bản hiện nay chỉ còn gặp phải ở hệ thống anten và chuyển mạch điện tử

Đó là:

Việc chế tạo đồng nhất các chấn tử anten về các tham số hình học và các tham số điện

Sự cảm ứng tương hỗ vào chấn tử anten đang hoạt động từ các chấn tử khác còn lại(đang ở trạng thái hở mạch) gây sai số định hướng

Việc chuyển mạch anten gây ra các đột biến về cảm ứng điện từ, làm giảm độ nhạycủa máy thu

Hiện nay, các vấn đề này đã được giải quyết tương đối thoả đáng bằng nhiều biệnpháp, đảm bảo đáp ứng được các yêu cầu về độ nhạy cũng như độ chính xác địnhhướng

Tóm lại, ưu điểm của phương pháp định hướng sử dụng nguyên lý Doppler:

Có độ nhạy, độ chính xác cao

Cấu trúc đơn giản, phù hợp với điều kiện công nghệ ở nước ta

Hạn chế được ảnh hưởng của tín hiệu phản xạ đa đường do hiệu ứng “capture”: tín hiệu lớn sẽ nén tín hiệu nhỏ ở trong máy thu FM sử dụng trong hệ thống Nhược điểm:

Do phải mất thời gian quét anten nên thời gian định hướng lớn, gặp khó khăn khi tínhiệu có thời gian tồn tại ngắn (như tín hiệu nhảy tần)

Không đo được góc ngẩng β

Hệ thống anten có cấu trúc phức tạp

1.3 Nguyên lý Watson-Watt.

Đây là phương pháp được sử dụng khá rộng rãi trong các thiết bị thu định hướng Vôtuyến điện ở dải sóng ngắn và sóng cực ngắn Nguyên lý Watson-Watt sử dụng giá trịlệch pha của sóng tới từ nguồn phát xạ trên các anten khác nhau, trên cơ sở đó tínhtoán ra giá trị hướng sóng tới

Về mặt nguyên lý, tín hiệu thu được từ đầu ra của anten có giản đồ hướng tính dạngsin/cosin (anten vòng chéo, anten feritte, anten adcock) sẽ được lọc, khuyếch đại vàđưa tới 2 bản lệch X và Y của 1 ống cathode 1 tín hiệu blanking thu từ 1 anten vôhướng (như trên hình vẽ) có pha liên hệ biết trước cũng được đưa vào máy định

12

hướng Màn hình máy định hướng sẽ hiển thị một hình lissajuos có độ nghiêng tương ứng với góc tới của tín hiệu Giá trị của góc phương vị được tính theo công thức:

α = artan (Vx / Vy)

Hình 1.6: Máy định hướng Watson-Watt với anten vòng chéo

Trong trường hợp lý tưởng hình lissajous sẽ là 1 đường th ng Trong trường hợp có can nhiễu ở môi trường xung quanh, Vx và Vy có độ di pha ,hình hiển thị sẽ là 1 elip

Lúc đó hướng của tín hiệu tới là trục chính của elip Giá trị góc phương vị có thể tính toán như sau:

α = artanAnten Adcock là loại anten được sử dụng rộng rãi nhất trong các thiết bị thu địnhhướng Watson-Watt (Từ đây sẽ gọi là hệ thống định hướng Adcock - Watson-Watt).Đây cũng là phương pháp định hướng sử dụng trong đa số các trang thiết bị hiện cócủa ngành kiểm soát tần số

Anten Adcock thường bao gồm 4 chấn tử (đơn cực hoặc lưỡng cực) bố trí cố địnhthành hai cặp theo hướng Bắc - Nam và Đông - Tây (hình 2.8) Kích thước và khoảngcách giữa các chấn tử được thiết kế, lựa chọn để đảm bảo độ nhạy thu và tính chínhxác định hướng trong dải tần làm việc Ở giữa anten có bố trí một mạch tạo điện áp.Mạch này có nhiệm vụ biến đổi các sức điện động cảm ứng trên các chấn tử antenthành các điện áp có giá trị biên độ tỉ lệ với sin hoặc cosin của góc sóng tới θ

13

: độ lệch pha tạo bởi đường truyền và được tính ϕ=2

λ πl

(l là quãng đường truyền lan sóng tới điểm cần xét)

Biên độ E0 trên khoảng cách không lớn giữa các chấn tử anten thay đổi không đáng

kể, ta coi là bằng nhau

Sóng từ đài phát tới chấn tử 1 tạo ra điện áp cảm ứng:

U1 = U0 sin (ωt +Sóng từ đài phát tới chấn tử 2 tạo ra điện áp cảm ứng:



U2 = U0 sin  ωt +



Vậy pha ở chấn tử 2 sẽ chậm hơn so với chấn tử 1 một lượng là ϕ=2

λ π

∆l Do ∆ l = b cos θ nên ϕ = 2 λ π b cos θ

Như vậy, điện áp cảm ứng ở hai chấn tử là hai điện áp có giá trị biên độ bằng nhau nhưng lệch pha nhau một góc ϕ=2

λ πb cosθ

Ta có thể biểu diễn hai véc tơ U1 và U2 thành hai thành phần (trên hình 1.9) :U1 = U’1 + U’’1

U2 = U’2 + U’’2

Trong đó: U’1 và U’2 là thành phần đồng pha;

U’’1 và U’’2 là thành phần ngược pha

U’1 = U’2 = U0 cos ϕ/2

15

U’’1 = U’’2 = U0 sin ϕ/2

Ở đây: U0 = U1 = U2 là giá trị biên độ điện áp cảm ứng trên các chấn tử

Gọi: UΣ là biên độ tổng các thành phần đồng pha

U∆ là biên độ tổng các thành phần ngược pha

Xét tương tự với cặp chấn tử anten Đông - Tây ta cũng sẽ có:

UΣ = 2U0U∆ = Uđh0 cosθVậy dạng điện áp tổng hợp ở đầu ra anten Adcock (đầu ra bộ tạo điện áp) là:

U∆BN = Uđh0 cosθ sin(ωt + Ψ)U∆ĐT = Uđh0 sinθ sin(ωt + Ψ)Uvô hướng = 2U0 sin(ωt + Ψ)Mạch tạo điện áp có nhiệm vụ lấy tổng các thành phần điện áp đồng pha và ngược phacủa các cặp chấn tử

Như vậy, ở đầu ra anten Adcock ta đã nhận được các giá trị điện áp mà thông tin vềhướng tới (cosθ và sinθ) nằm trong thành phần biên độ của chúng Trên cơ sở các điện

áp này, bằng các phương pháp xử lý (biến đổi và chỉ thị thông tin) khác nhau ta sẽnhận được giá trị hướng sóng tới θ

Tất cả các phương pháp xử lý để biến đổi và chỉ thị thông tin góc phương vị θ đềunhằm mục đích là thực hiện phép tính:

θ = arctang(U∆ĐT / U∆BN)

Nghiệm của phương trình (1.12) là đa trị: θ ± kΠ (với k = 1, 2, 3, …)

Để lấy đơn trị kết quả θ, phải thực hiện thêm việc xét dấu của hàm sinθ và cosθ để đưa

ra quyết định θ thuộc góc phần tư nào Từ đó quyết định lấy nghiệm đơn trị θ thuộccung phần tư đó

Sơ đồ chức năng đơn giản của hệ thống định hướng Adcock - Watson Watt được chỉ ratrên hình 1.10

Hình 1.9: Sơ đồ khối máy thu định hướng Adcock - Watson WattTín hiệu từ anten Adcock đưa tới máy thu nhiều kênh gồm U∆B-N , U∆ĐT và UVH.Kênh vô hướng được sử dụng để loại bỏ tính đa trị của giá trị góc phương vị θ và đểthu nghe kiểm tra

Máy thu nhiều kênh là các máy thu có hệ số truyền đạt phức là bằng nhau, có nhiệm

vụ khuếch đại, biến đổi tín hiệu đưa đến khối tính toán góc phương vị

Ưu điểm cơ bản của hệ thống định hướng Adcock – Watson Watt là thời gian địnhhướng nhanh, cho phép định hướng các tín hiệu có thời gian tồn tại ngắn do tốc độ chỉthị chỉ phụ thuộc vào thời gian xử lý của hệ thống thu chỉ thị

Nhược điểm: hệ thống máy thu nhiều kênh đòi hỏi phải có hàm truyền đạt phức củacác kênh hoàn toàn giống nhau Điều này dẫn đến việc phải xây dựng hệ thống cânbằng biên độ và cân bằng pha cho các kênh thu là tương đối phức tạp.

Các máy định hướng hiện đại không còn hiển thị điện áp IF của tín hiệu anten trênCRT mà xử lý tín hiệu số sau khi chuyển đổi chúng vào một băng tần IF tương đốirộng (Hình 1.10)

17

Hình 1.10: Cấu hình một bộ định hướng hiện đại vận hành theo nguyên lý

Yêu cầu triển khai đối với một mạng anten 3 chấn tử thì khoảng cách giữa các chấn tửkhông được vượt quá nửa bước sóng Nếu Φ1, Φ2, Φ3 là pha của tín hiệu trên các chấn

tử thì ta có :Góc phương vị được tính bởi công thức:

Sơ đồ chức năng đơn giản của hệ thống đối với M=3 chỉ ra ở hình 1.11

Anten 2 Anten 1 Anten 3

C

3

Hướng sóng tới

a θa

2 Tính toán

Hình 1.11: Hệ thống định hướng theo nguyên lý so pha

Hệ thống định hướng theo nguyên lý so pha có ưu điểm là có thể sử dụng các hệ thốnganten có độ mở anten lớn do đó cho phép giảm tối thiểu ảnh hưởng do phản xạ đađường, có độ nhạy, độ chính xác cao, thời gian định hướng nhanh Cho phép đo hướng

tới với cả giá trị góc phương vị θ và góc ngẩng β Nhược điểm là cấu trúc thiết bị phứctạp đòi hỏi các máy thu phải có đặc tính pha giống nhau.

18

1.5 Nguyên lý so pha tương quan

Về cơ bản, phương pháp so pha tương quan cũng áp dụng nguyên lý định hướng nhưphương pháp so pha Tuy nhiên, phương pháp giao thoa tương quan có thêm quá trình

so sánh/tương quan Nguyên tắc cơ bản của so pha tương quan bao gồm trong so sánh

sự khác biệt giữa tập giá trị pha đo được trên thực tế với các tập giá trị độ lệch pha đãbiết tương ứng với các góc tới mảng anten của tín hiệu

Hình 1.12 So pha tương quan

Sơ đồ cấu trúc tổng quát của một thiết bị định hướng sử dụng phương so pha với thiết

bị thu kỹ thuật số N kênh như trong hình 1.13

19

Hình 1.13 : Thiết bị so pha với N kênh thu.

Đối với trường tín hiệu điện từ, năng lượng tại trung tâm của mảng anten là:

e(t) = E0 cos[ω0t +ϕ(t) +ϕ0 ]

Với: E0 là biên độ

 0 là tần số trung tâm của tín hiệu

 (t) là pha phụ thuộc vào dạng điều chế của tín hiệu

 0 là pha ban đầu của tín hiệu tại trung tâm của mảng anten

Năng lượng điện từ trường được tạo ra ở phần tử thứ n tại thời điểm có cùng pha ban

đầu ϕ0 với năng lượng tạo ra ở trung tâm mảng anten là:

e (t) =E0 cos[ ω 0t+ϕn (t)+ϕn0]

n

=E0 cos[ω0 (t +τdel ) +ϕ(t +τdel ) +ϕ0 ]

Trong đó τdel là thời gian trễ gây ra do sự khác nhau về quãng đường truyền của mặt

sóng điện từ từ phần tử thứ n đến trung tâm của mảng anten

Giả sử khoảng cách giữa các anten thành phần và trung tâm của nó tỷ lệ với độ dài

bước sóng, và tín hiệu e k (t) là tín hiệu băng tần hẹp Trong trường hợp này, tốc độ

biến đổi của pha ϕ(t) không đáng kể so với mức biến đổi của ω0 t , và phương trình

(1.18)của có thể được đơn giản hóa như sau:

e n (t) = E0 cos[ω0t +ω0τdel+ϕ(t) +ϕ0 ]

e (t) = E

n

Giả sử thực hiện tính toán trong không gian ba chiều Để tính toán sự khác nhau về

quãng đường truyền ∆n , ta sử dụng công thức tích vô hướng của hai vector

ρ

Cho vector r0

đồng pha của sóng tới, như hình 1.14 Vector R n là vector bán kính xác định vị trí các

phần tử của mảng anten Khi đó, tích vô hướng của vector

ρ

lớn vector | r0 | với hình chiếu vector R n

vector trùng với gốc tọa độ, tức là từ trung tâm mảng anten Hình chiếu vector R n lên

vector đơn vị

thứ n đến trung tâm của mảng anten:

ρ

r = [x , y

0

bởi hình chiếu của nó lên các trục toạ độ

Đề-các 20

Trong đó:

q 0 là góc phương vị của RES, tính ngược chiều kim đồng hồ trục x

 0 là góc ngẩng, tính theo chiều kim đồng hồ trục z, theo quy ước trong hệ tọa

độ cầu.

21

Trong định hướng thực tế, các góc θ thường được sử dụng để xác định góc phương vị, tính từ trục y theo chiều kim đồng hồ và β dùng để xác định góc ngẩng Các góc θ và

β có quan hệ với các góc θ0 và β0 trong hệ toạ độ cầu bởi hệ thức đơn giản sau:

θ =

Để đơn giản hóa các biểu thức, ta sử dụng góc θ0

toán góc ngẩng và góc phương vị Nếu tất cả các phần tử của mảng anten được đặttrong mặt ph ng x0y, hình chiếu của vector bán kính của các phần tử anten lên trục z sẽbằng không ( z n = 0) và:

đó, số lượng phần tử tối thiểu của mảng anten bằng ba

Giả sử trong trường hợp tối thiểu, hệ thống anten có ba phần tử, đo sự dịch pha giữaphần tử thứ nhất và thứ hai là ∆1,2 và dịch pha giữa phần tử thứ nhất và thứ ba là ∆1,3 Khi đó, tính toán hai biến số góc phương vị θ0

phi tuyến sau:

∆

∆Nếu các phần tử anten nằm ở đỉnh của tam giác vuông cân với chiều dài cạnh là B, nhưtrong hình.2.3:

22

Hình 1.15: Giao thoa so pha với hệ thống anten 3 phần tử.

hệ phương trình (1.29) được đơn giản hóa:

Chia 2 phương trình cho nhau, ta nhận được

Bình phương 2 phương trình rồi cộng vào với nhau ta được:

Do vậy, để tránh hiện tượng này cần hạn chế sự khác pha không vượt quá ± 180 0 Vìvậy, cần thêm điều kiện là khoảng cách giữa các phần tử của mảng anten không đượcvượt quá một nửa bước sóng của tín hiệu phân tích: B <λ / 2

Khi kích thước mảng anten càng lớn, độ chính xác của kết quả đo giá trị khác pha giữcác phần tử trong mảng anten càng tăng và tăng độ chính xác của phép định hướng.Tuy nhiên, ta cũng chỉ có thể tăng tới giá trị đảm bảo điều kiện B <λ / 2

Vì vậy, trong các thiết bị định hướng so pha băng tần rộng, các hệ thống anten đakhoảng cách (các phần tử anten được bố trí, theo các khoảng cách lớn nhỏ khác nhau)

- được sử dụng, trong đó, việc loại bỏ hiện tượng định hướng sai nói trên được thựchiện bằng cách sử dụng mảng anten có khoảng cách nhỏ "Phương pháp sàng lọc"được biết đến như là một cách tiếp cận trong kỹ thuật định hướng, trong đó chia thànhhai bước, bước một sử dụng mảng anten có khoảng cách nhỏ, độ chính xác thấp hơn,

để loại bỏ hiện tượng sai số nói trên Sau đó, thiết bị sẽ sử dụng mảng anten có khoảngcách lớn hơn để tăng độ chính xác định hướng

Một phương pháp khác xây dựng các hệ thống so pha đa khoảng cách dựa trên việc tối

ưu hoá thống kê trên toàn bộ mẫu dịch pha đo được Việc tối ưu hoá cũng đảm bảoviệc loại bỏ sự sai lệch nói trên Cơ sở lý thuyết của phương pháp này là nguyên lýchọn theo xác suất cực đại

Trong thực tế, cấu hình anten ba phần tử thường được tăng cường bởi các anten phụcho phép sử dụng anten trong dải tần số rộng Cơ cấu thường được áp dụng cho cácanten đó là cấu trúc tam giác vuông cân hoặc mảng hình tròn.

Việc áp dụng các ma trận tam giác bị giới hạn bởi dải tần số từ 30MHz trở xuống Tạicác tần số cao hơn, khuyến nghị áp dụng các mảng hình tròn được vì chúng đảm bảo

23

các kết nối tương tự giữa các thành phần anten, và kết nối anten tối thiểu với các cột

đỡ Do tính đối xứng trung tâm, ta có thể tạo các đặc tính độc lập về hướng

Khi sử dụng thiết bị đo so pha đa phần tử, khả năng sau đây xuất hiện: khi sử dụng các

nhóm anten đầy đủ: sự khác pha giữa các phần tử kề nhau luôn luôn dưới 180 0 , do đó

để tránh sự sai lệch , ta sử dụng nhóm anten “ thiếu ”: có ít nhất một cặp phần tử có sự

khác pha lớn hơn 180 0

Hình 1.16: Thiết bị giao thoa tương quan Thuật toán của giao thoa tương quan trong hệ thống đo

Hãy xem xét các thuật toán hoạt động trong một hệ thống đo giao thoa tương quan

Đối với trường hợp của mảng anten vòng tròn, ta trình bày các biên độ phức theo hình

thức sau:

Trong đó:

Tín hiệu vô tuyến chồng chất từ RES khác nhau được thu bởi các phần tử mảng anten

và chuyển đến đầu vào của bộ chuyển mạch anten, bộ chuyển mạch anten đưa các tín

hiệu từ các cặp phần tử anten được lựa chọn tới đầu vào hai bộ thu dải rộng Tín hiệu

vô tuyến tại các đầu vào bộ thu, được chuyển đổi thành tần số trung gian và, nếu cần

thiết, thành tần số video

Băng thông của máy thu dải rộng (vốn để khảo sát đồng thời nhiều kênh) có độ rộng

hơn rất nhiều độ rộng phổ tín hiệu của từng RES riêng biệt Do đó, một số lượng lớn

các kênh vô tuyến có thể lọt vào trong băng tần số thu bởi máy thu, như trong hình

1.16 Trong trường hợp tổng quát, các tín hiệu trong các kênh này có thể có chiều rộng

phổ tần khác nhau và có thể được phân loại vào các loại phát xạ khác nhau

24

Hình 1.17: Phổ của tín hiệu vô tuyến điện được thu đồng thời bởi máy thu dải rộng.Tín hiệu ở tần số trung gian truyền từ đầu ra bộ thu đển đầu vào ADC, nơi chúng được chuyển đổi đồng bộ thành tín hiệu kỹ thuật số với độ dài N n mẫu.

Sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT), ta được N n mẫu phổ phức cho mỗi tín hiệu.Sau đây, để đơn giản hóa việc xử lý, chỉ N n /2 mẫu phức của từng phổ được sử dụng,

và N n /2 mẫu khác, tương ứng với các tần số âm, có thể được coi như là số không Phổtín hiệu trong các kênh vô tuyến thứ k tương ứng với các tín hiệu của nguồn phát xạ vôtuyến thứ k

Xét hệ thức sau đây:

E = U / h e

Trong đó: E là cường độ điện từ trường;

U là điện áp đo tại đầu ra anten,

h e là chiều dài hiệu dụng của anten đo,

Biên độ phức của tín hiệu radio kênh thứ k cho các tín hiệu Z S (n1 ,t) và tín hiệu tham chiếu Z ref (n2 ,t) bằng nhau, tương ứng:

là chiều cao hiệu dụng của phần tử anten cho các kênh radio thứ

k đặt ở đầu vào máy thu

là biên độ của cường độ trường điện từ đối với các tín hiệu

vô tuyến trong kênh vô tuyến thứ k

là các hệ số tăng ích và độ trễ pha của tín hiệu và của tham chiếu tương ứng cho kênh radio thứ k

là số các phần tử mảng anten ( n2 =n1 ).

là những góc độ vị trí của phần tử anten trong mảng

Các giá trị tần số trung tâm f k của các kênh vô tuyến trong băng thông df của phân tíchđồng thời và độ rộng kênh dF được tìm ra bằng việc tách sóng tín hiệu Chiều rộng

25

df của băng thông phân tích được thực hiện bởi phần cứng Số kênh vô tuyến {k} (1 ≤

k ≤ kmax , kmax = df/dF ), trong đó các tín hiệu vô tuyến được phát hiện sẽ được lưu

trữ Mỗi con số này tương ứng với số lượng N n các ranh giới kênh phát sóng có chiềurộng dF, được tính thành số lượng phổ thành phần trong băng thông phân tích df,: ví

dụ, tại df = 4MHz và dF = 25 kHz, chúng ta có kmax = 160 Nếu N n = 4.000, chúng ta

có 2.000 cặp mẫu phổ phức liên tiếp nhau thông qua các ∆F =

biến đổi Fourier rời rạc Đối với các kênh đơn, các mẫu

q = (dF / ∆F +1) =13 , và mỗi mẫu bao gồm phần thực và phầnảo, (tương ứng với

biên độ và pha) Có được các số thứ tự ấn định cho các phổ thành phần của kênh vôtuyến, chúng ta sẽ có chuỗi các số mẫu phổ tương ứng với các băng tần số của cáckênh vô tuyến

Đối với mỗi kênh vô tuyến, trong đó tín hiệu được phát hiện, các mẫu phức của phổ tínhiệu cho phần tín hiệu S S (k,i, n1 ) được nhân với mẫu phức liên hợp của phổ tín hiệucho của phần tham chiếu S ref (k,i, n2 ) Các sản phẩm thu được:

k là số thứ tự của kênh vô tuyến điện: 1 ≤ k ≤ kmax

i là số thứ tự của mẫu phổ tần số trong các kênh, i = 0,1, , q - 1

Do sự tổng hợp của các sản phẩm mẫu phổ cùng tên cho các kênh vô tuyến thứ k,thành phần phổ được hình thành tương ứng với các tần số sóng mang không điều chếcủa tín hiệu radio Xét phương trình (1.37), (1.38), ta nhận được vector tín hiệu tươngtác từ (1.39):

với độ dịch pha:

∆

giá trị dịch pha ∆n1,n 2 phụ thuộc vào hướng của tín hiệu đến, vào góc định hướng

Một trong những điều kiện cần thiết cho độ chính xác đo là phải có sự đồng nhất củacác hệ số biến đổi phức của các kênh thu Trong việc phát triển vô tuyến điện tử hiệnđại, việc tạo ra máy thu vô tuyến băng rộng hai kênh với hệ số biến đổi phức của cáckênh đồng nhất vẫn là một vấn đề kỹ thuật phức tạp Để giảm sự phụ thuộc của việcđịnh hướng và cường độ điện từ trường vào sự khác biệt trong đáp tuyến tần số của cáckênh tín hiệu và kênh tham chiếu, người ta đề nghị áp dụng các thuật toán sử dụng cácphần tử anten thứ ba không tính vào máy thu băng rộng Thuật toán này bao gồm bagiai đoạn Ở giai đoạn đầu tiên, vector tương tác giữa các phần tử anten thứ n1 và