Xây dựng hệ thống xử lý tín hiệu số trong hệ định vị vô tuyến luận án TS vật lý62 44 03 01

Tổng quan về tình hình nghiên cứu các bài toán xử lý tín hiệu số rađa trong và ngoài nước Trong nước: Cùng với sự nghiên cứu phát triển trên toàn thế giới, Việt nam cũng luôn cónhững ngh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -

Đỗ Trung Kiên

XÂY DỰNG HỆ THỐNG XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ

TRONG HỆ ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH VẬT LÝ

MỤC LỤC

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ KỸ THUẬT RAĐA HIỆN ĐẠI

1.1 Các chức năng cơ bản và các kỹ thuật xử lý của rađa hiện đại

1.2 Sơ đồ khối rađa xung

Kết luận chương 1 và tiếp cận mục tiêu luận án

CHƯƠNG 2 GIA CÔNG VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU

2.1 Gia công tín hiệu

2.1.1 Tạ o dạng sóng và giải pháp phát mã xen kẽ sử dụng vi điều khiển

2.1.1.1 Mô phỏng kĩ thuật phát mã Barker và mã M xen kẽ

2.1.1.2 Mã điều tần tuyến tính LFM

2.1.1.3 Chế tạo mạch dùng vi điều khiển PIC16F877A phát mã Barker

2.1.1.4 Kết quả mã Barker được phát bởi mạch VĐK PIC16F877A

2.1.2 Điều chế trung tần mã BPSK của chuỗi Barker 13 bít dùng VĐK .

2.1.2.1 Mô phỏng quá trình trộn mã lên trung tần

2.1.2.2 Thiết kế và chế tạo khối trộn mã BPSK trung tần

2.2 Xử lý tín hiệu

2.2.1 Giải pháp nâng cao tỉ số tín hiệu/tạp, độ phân giải

2.2.1.1 Sự phụ thuộc của tỉ số tín hiệu/tạp theo các thông số rađa

2.2.1.2 Khảo sát bộ lọc phối hợp và hàm bất định

2.2.2 Xác suất phát hiện và xác suất báo động lầm khi có nhiễu

2.2.2.1 Một số lí thuyết về xác suất phát hiện và xác suất báo động lầm

2.2.2.2 Tích lũy xung

2.2.2.3 Mô phỏng việc tính toán mối quan hệ giữa PD, Pfa, và tỉ số SNR

1

2.2.2.4 Mô phỏng khảo sát kỹ thuật tích lũy xung

2.2.3 Kỹ thuật nén xung tín hiệu điều chế BPSK mã Barker xen kẽ mã M

2.2.4 Thiết kế, chế tạo các bộ lọc số FIR , IIR trên DSP TMS320C6416T

2.2.4.1 Lí thuyết về kĩ thuật lọc số FIR và IIR

2.2.4.2 Một số mô phỏng về kỹ thuật lọc số

2.2.4.3 Thiết kế bộ lọc trên TMS320C6416T DSK

2.2.5 Thiết kế và chế tạo A/D, D/A tốc độ cao cho DSP56307EVM

2.2.5.1 Bo xử lí tín hiệu số DSP56307EVM của hãng Motorola

2.2.5.2 Thiết kế và chế tạo A/D, D/A tốc độ cao cho DSP56307

Kết luận chương 2

CHƯƠNG 3 3.1 Tuyến thu

3.1.1 Khối dao động nội sử dụng kỹ thuật tổ hợp tần số PLL

3.1.1.1 Kỹ thuật tổ hợp tần số dùng vòng khóa pha

3.1.1.2 Thực hiện tổ hợp tần số dùng PLL bằng vi điều khiển

3.1.1.3 Các kết quả của khối tạo dao động nội cao tần

3.1.2 Máy thu UHF

3.1.2.1 Một số lý thuyết về máy thu siêu cao tần

3.1.2.2 Thiết kế và chế tạo máy thu giải mã UHF

3.2 Tuyến phát

3.2.1 Khái niệm về khuếch đại công suất cao tần

3.2.2 Tham số tán xạ

3.2.3 Đường dây vi dải

3.2.4 Mô phỏng bằng ADS

3.2.5 Thiết kế và chế tạo khối khuếch đại công suất cao tần

3.2.5.1 Công suất xung 90 W

3.2.5.2 Công suất 2 tầng 45 W và 90 W

Kết luận chương 3

KẾT LUẬN CHUNG

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾNLUẬN ÁN 121

TÀI LIỆU THAM KHẢO 123

3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

GNN

Gain Control

PDF Probability Density Function

VĐK

5

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các chuỗi mã Barker 26

Bảng 2.2 Các thông số hệ thống của phương trình rađa 44

Bảng 2.3 Quá trình tự tương quan của mã Barker 60

Bảng 2.4 Tổ chức bộ nhớ cho các hệ số bộ lọc và mẫu tín hiệu 71

Bảng 2.5 Tổ chức bộ nhớ minh họa cho việc cập nhật dữ liệu tín hiệu 71

Bảng 2.6 Tập hệ số của bộ lọc dải thông tần số trung tâm 2100Hz bp2100.cof 72

Bảng 2.7 Tập hệ số lp4200.cof của bộ lọc 4 tầng IIR 74

Bảng 3.1 Các thông số mạch dải tính toán theo phần mềm ADS 109

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ khối của một rađa xung .

Hình 1.2 Phân loại khối phát rađa .

Hình 1.3 Khối thu đầu cuối của rađa điển hình những năm 1990 .

Hình 1.4 Khối thu số đầu cuối của rađa hiện đại .

Hình 2.1 Mã Barker 13 bít .

Hình 2.2 Mô hình khối tạo mã Barker và mã M phát xen kẽ Hình 2.3 Tín hiệu mã Barker và mã M phát xen kẽ Hình 2.4 Dạng sóng điều tần tuyến tính, (a) tăng tần số, (b) giảm tần số Hình 2.5 Mô phỏng Matlab tín hiệu và phổ tần LFM Hình 2.6 Tín hiệu LFM tần số tăng dần, chụp trên dao động kí Yokogawa Digital Oscilloscope DL1720E .

Hình 2.7 Chuỗi xung tín hiệu LFM .

Hình 2.8 Sơ đồ khối của vi điều khiển PIC16F877A .

Hình 2.9 Kít phát triển dựa trên vi điều khiển PIC16F877A .

Hình 2.10 Mạch vi điều khiển PIC16F877A dùng cho phát chuỗi mã tín hiệu .

Hình 2.11 Các chuỗi mã Barker tạo trên PIC16F877A .

Hình 2.12 Mã Barker 13 bít {1111100110101}, (a) độ rộng 0,8 µs, (b) 3.2 µs .

Hình 2.13 Chu kì lặp lại xung 1 ms, tần số lặp lại xung 1 khz .

Hình 2.14 Thời gian sườn lên và sườn xuống cũng là 12ns .

Hình 2.15 Mô hình điều chế BPSK .

Hình 2.16 Điều chế khóa dịch pha nhị phân BPSK cho chuỗi mã .

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý mạch chế tạo mã pha BPSK .

Hình 2.18 Sơ đồ khối của HEF4052B .

7

Hình 2.23 Tín hiệu điều chế BPSK của chuỗi mã Barker .

Hình 2.24 Khảo sát phương trình rađa (a) Sự phụ thuộc của R max vào SNR min (b) Sự phụ thuộc của SNR vào R .

Hình 2.25 Hàm bất định của xung đơn (a,c)và LFM (b,d) .

Hình 2.26 Sơ đồ khối bộ phát hiện đường bao và bộ thu phát hiện ngưỡng .

Hình 2.27 Mô tả thời gian báo động lầm .

Hình 2.28 PDF của nhiễu, nhiễu + tín hiệu khi P Hình 2.29 Sự trở về từ mục tiêu của các mô hình Swerling. Hình 2.30 Sự phụ thuộc của P Hình 2.31 Sự phụ thuộc của I Hình 2.32 Sự phụ thuộc của P D theo SNR, với P fa = 10-12 cho 2 trường hợp không tích lũy và tích lũy không tương can của mô hình Swerling V .

Hình 2.33 P D (SNR), P fa = 10 -12 trong Swerling I, II, III, IV cho trường hợp không tích lũy và tích lũy không tương can .

Hình 2.34 P D (SNR), P fa = 10 -12 chung cho cả 5 mô hình khi n p = 1

Hình 2.35 P D (SNR), P fa = 10 -12 , n p = 10 .

Hình 2.36 Hàm tương quan chéo của dãy x(n), y(n) .

Hình 2.37 Hàm tự tương quan của dãy x(n), y(n) .

Hình 2.38 Khối nén xung tín hiệu mã xen kẽ .

Hình 2.39 Mạch nén xung cho hai loại mã .

Hình 2.40 Kết quả của việc nén xung khi mức nhiễu thấp .

Hình 2.41 Kết quả của việc nén xung khi mức nhiễu thấp .

Hình 2.42 Ví dụ về bộ lọc thông thấp 8 mắt lọc FIR .

Hình 2.43 Mô phỏng bộ lọc dải thông trượt tiêu các tần số nhiễu, tăng tỉ số SNR

Hình 2.44 Cấu trúc và đặc tuyến tần số của bộ lọc số .

Hình 2.49 Lối vào/ra của bộ lọc FIR (a) 2100Hz, (b) 1900Hz, (c) 2300Hz .

Hình 2.50 Đáp tuyến tần số của các bộ lọc FIR

Hình 2.51 Đặc tuyến tần số của bộ lọc đa băng

Hình 2.52 Đặc tuyến tần số của các bộ lọc IIR .

Hình 2.53 Bo mạch DSP56307 của hãng Motorola .

Hình 2.54 Sơ đồ khối chức năng của DSP56307EVM Hình 2.55 Sơ đồ khối CODEC CS4218 Hình 2.56 Sơ đồ khối kết nối song song giữa cổng HI08 với khối A/D, D/A Hình 2.57 Sơ đồ mạch in khối A/D, D/A tốc độ cao Hình 2.58 Tín hiệu trước và sau bộ lọc FIR dải thông 0 Hz - 200 kHz, tần số lấy mẫu 2 MHz, kết nối các khối A/D, D/A tốc độ cao với DSP56307EVM (a) 82 kHz, (b) 189 kHz, (c) 250 kHz .

Hình 3.1 Lưu đồ vòng khóa pha PLL .

Hình 3.2 Khối so pha .

Hình 3.3 Khối so pha .

Hình 3.4 Sơ đồ khối tổ hợp tần số dùng PLL thực hiện bằng VĐK .

Hình 3.5 Sơ đồ khối của LMX2316 .

Hình 3.6 Sơ đồ mạch nguyên lý của khối PLL Hình 3.7 Mạch điện PLL chế tạo thực tế Hình 3.8 Sơ đồ khối phần VCO .

Hình 3.9 Mạch VCO chế tạo thực tế .

Hình 3.10 Phổ của các tần số cao tần VCO .

Hình 3.11 Sơ đồ khối các mô-đun thu UHF .

Hình 3.12 Dạng sóng đặc trưng của STC .

Hình 3.13 Sơ đồ khối khuếch đại loga .

9

Hình 3.18 Tín hiệu giải điều chế tại 750 MHz, -100 dBm 101

Hình 3.19 Sơ đồ khối hệ thống định vị sử dụng mã Barker 101

Hình 3.20 Cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại công suất cao tần 102

Hình 3.21 Ý nghĩa của tham số tán xạ 103

Hình 3.22 Ma trận tham số tán xạ 2 cổng 103

Hình 3.23 Tán xạ 2 cổng, trong đó 1 cổng là điện trở tải 103

Hình 3.24 Mạch khuếch đại công suất và phối hợp trở kháng vào / ra 104

Hình 3.25 Đường dây vi dải 106

Hình 3.26 Đường dây dạng dải 107

Hình 3.27 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại công suất cao tần 108

Hình 3.28 Biểu đồ Smith tính toán trở kháng lối vào và lối ra của transistor 109

Hình 3.29 Các tham số S mô phỏng tại 850 MHz 110

Hình 3.30 Khối khuếch đại công suất xung 90W 111

Hình 3.31 Đặc trưng tần số đánh dấu tại 612.5HMz 112

Hình 3.32 Đặc trưng tần số đánh dấu tại 753.0HMz 112

Hình 3.33 Bộ khuếch đại công suất 2 tầng, tầng 1 45W, tầng 2 90W với lối vào chuẩn 300 mW 113

Hình 3.34 Bố trí máy móc đo thông số mạch khuếch đại 114

Hình 3.35 Lối ra khối khuếch đại trên máy phân tích phổ 115

Hình 3.36 Đặc trưng tần số đo trên máy phân tích mạng 115

MỞ ĐẦU

Từ những ngày xa xưa, trong thiên nhiên hoang dã, Tạo hóa đã ban cho chúng

ta những “cỗ máy” kì diệu Các con dơi có thể phát ra tiếng kêu siêu âm từ mũi,

nhận tiếng vọng tại hai tai, sau đó phân tích để tìm kiếm và định vị mồi Cũng với

nguyên lý như vậy, những chú cá heo có thể nhanh chóng tìm đến cứu những người

bị nạn trên biển

Loài dơi và cá heo - những “cỗ máy sonar” của Tạo hóa

Thuật ngữ “rađa” bắt nguồn từ các chữ các đầu tiên của cụm từ “RAdio

Detection And Ranging” Ngày nay, kỹ thuật này trở nên thông dụng và thuật ngữ

đó được xem là một danh từ chuẩn của tiếng Anh Một thuật ngữ tương tự cho sóng

siêu âm gọi là sonar (SOund Navigation And Ranging).

Lịch sử phát triển của rađa xuất phát từ những ngày đầu của lý thuyết sóngđiện từ [57] Năm 1886, Hertz trình diễn thí nghiệm về phản xạ của sóng vô tuyến.Năm 1897, nhà bác học Nga Pô-pôp phát hiện hiện tượng liên lạc vô tuyến giữa haitàu bị cắt đứt lúc có một tuần dương hạm chạy ngang qua Lí do là do sóng vôtuyến bị phản xạ khi gặp chướng ngại vật Ông đã nghĩ ngay ra việc lợi dụngnguyên lý này để kiểm tra, xác định vị trí và dẫn đường cho tàu thuyền Đây đượcxem là thời điểm khởi đầu của các hệ thống rađa

Trong chiến tranh thế giới lần thứ hai [1], Liên-xô và các nước như Anh, Mỹ,

Đức, Pháp, Nhật cũng để nhiều sức lực vào việc phát triển kỹ thuật rađa nhằm cảithiện sức mạnh quân sự của mình Hầu hết các công nghệ rađa hiện đại mà nay đang

sử dụng đã xuất hiện trong thời gian này Sau chiến tranh, các nhà khoa học lại tập

11

trung nghiên cứu cải thiện các đài sóng cm, sóng mm để áp dụng trong quân sự,

thiên văn và đời sống xã hội

Đặc biệt ngày nay, các bài toán rađa hiện đại đòi hỏi khả năng xử lý của cácthiết bị số như máy tính, các bo mạch xử lý tín hiệu số hay các IC số tích hợp cao.Các đầu bài cũng như các thuật toán yêu cầu hệ thống rađa xử lý cũng vì thế trở nênphức tạp và đa dạng hơn Mục tiêu luận án hướng đến các kỹ thuật xử lý như vậy

Tổng quan về tình hình nghiên cứu các bài toán xử lý tín hiệu số rađa trong và ngoài nước

Trong nước:

Cùng với sự nghiên cứu phát triển trên toàn thế giới, Việt nam cũng luôn cónhững nghiên cứu rất quan trọng trong lĩnh vực rađa, không chỉ về mặt quân sự màcòn rất đa dạng trong các lĩnh vực khác như y tế, môi trường, thời tiết…

Hiện nay, trường Đại học Công nghệ, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại họcQuốc gia Hà nội, Viện Rađa thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Học việnQuân chủng Phòng không Không quân, Học viện Kỹ thuật quân sự, Bộ quốcphòng đang có rất nhiều nghiên cứu về vấn đề xử lý số tín hiệu rađa này

Đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống phát, thu và xử lý tín hiệu dải rộng nhận biết chủ quyền quốc gia”, mã số: KC.01.12/06-10, thực hiện 2006-2010, chủ nhiệm đề tài: TS Bạch Gia Dương, đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy phát tín hiệu hỏi dùng trong thiết bị nhận biết chủ quyền quốc gia”, mã số: QG.07.26, thực hiện 2007-2009 Một số đề tài khác như: “Xây dựng hệ thống thu thập xử lý tín hiệu trong các hệ định vị vô tuyến”, Tạp chí khoa học ĐHQGHN, KHTN & CN, T.XXI, số 2PT, 2005; “Xử lý tín hiệu số trên công nghệ DSP áp dụng trong rađa”, Báo cáo khoa học tại hội nghị khoa học Vật lý toàn quốc, 2005 đã và

đang đưa ra một số kết quả về thiết kế một số mô đun tạo mã tín hiệu và xử lý tínhiệu trong tổng thể hệ thống rađa Các nghiên cứu này đều đang bước đầu tiếp cậncác kỹ thuật xử lý số tín hiệu rađa

Đề tài “Hợp tác xử lý tín hiệu Rada bằng các phương pháp số và chọn lọc phân cực”, tác giả Đào Chí Thanh, đề tài cấp nhà nước 2009, có các nội dung sau:

Thiết kế kênh xử số tín hiệu, truyền tin và ghép mạng, thiết kế kênh phân cực.Nhóm nghiên cứu này còn thực hiện đề tài theo nhiệm vụ nhà nước hợp tác quốc tế

theo nghị định thư: “Hợp tác nghiên cứu xử lý tín hiệu rađa bằng các phương pháp

số và chọn lọc phân cực” nhằm: Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống xử lý số, hệ

thống xử lý phân cực tín hiệu rađa thực hiện tự động phát hiện mục tiêu rađa, tựđộng xác định toạ độ, tự động phát hiện và tự động bám quỹ đạo mục tiêu, nâng caoxác suất phát hiện đúng tín hiệu rađa Nghiên cứu ứng dụng phương pháp xử lýphân cực tín hiệu rađa

Ngoài nước:

Các nghiên cứu khoa học về rađa xuất hiện nhiều trong các tạp chí khoa học

và kỹ thuật Tập trung nhiều nhất ở Mỹ là Viện IEEE (Institute of Electrical and

Electronics Engineers), tạp chí Transaction on Aerospace and Electronic System, Transactions on Geoscience and Remote Sensing, và Transactions on Image Processing Tại Anh, các bài báo về công nghệ rađa được phát hành trên IEE (Institution of Electrical Engineers) Proceedings: Radar, Sonar, and Navigation.

Một số nghiên cứu về mã Barker, kỹ thuật nén xung, bộ lọc phối hợp như của:

- Relji Sato (2003), “Simple Mismatched Filter for Binary Pulse CompressionCode with Small PSL and Small S/N Loss” [78], đưa ra một số loại mã và thựchiện mô phỏng kỹ thuật nén xung để quan sát việc giảm các sidelode của hàm

tự tương quan trong khi không làm ảnh hưởng đến tỉ số tín hiệu/tạp

- Jeffrey S Fu (1994), “Phase-coded Pulse Compression Implementation forRadar Performance Analysis” [45], và Nadav Levanon (2006), “NoncoherentPulse Compression” [69], đưa ra mô phỏng kỹ thuật nén xung thực hiện với mãBarker 13 bít điều chế BPSK Ngoài ra Levanon cũng thực hiện nén xung vớicác mã dài hơn 70 bít

- Một nghiên cứu khác của Liu Du-ren, Jin Ya-jing Ren Xiao-na (2001),

“Analysis of a Nonsinusoidal Radar Signal and the Formation of It's CodedPulses” [52] cũng quan tâm đến mã Barker 13 bít và đã tạo ra được mã này với

độ rộng bít ngắn, sử dụng cổng A và cổng B của khối dữ liệu vào ra song song

13

8 bít Intel 8255 có trong máy tính cá nhân Đây đã thể hiện là một phương ánkhông dùng các IC số rời để lắp ráp thành mạch, mà tận dụng khả năng xử lý tínhiệu số của máy tính số để tạo mã.

- August W Rihaczek, Roger M Golden (1971), “Range Sidelobe Suppressionfor Barker Codes” cũng đã tìm cách đưa các bộ xử lý số vào để thực hiện nénxung Tuy nhiên ở mức các thiết bị số lúc đó, ông đã đề xuất thêm phương ánđưa các đường dây trễ vào để giảm tính phức tạp của bộ xử lý số, đồng thờigiảm được các cánh sóng phụ

- Một nghiên cứu khác của Nadav Levanon (2006), “Cross-correlation of longbinary signals with longer mismatched filters” [70], đã đề xuất đến việc tìmhiểu hàm tương quan của các tín hiệu nhị phân dài hơn mã Barker, mã 63 bít,

169 bít, sử dụng bộ lọc không phối hợp Kết luận của Nadav Levanon là việcphát mã tuy dễ dàng như cần cân nhắc phù hợp với kỹ thuật nén xung, đảm bảocánh sóng phụ thấp và các mất mát tỉ số tín hiệu/tạp vẫn chấp nhận được

- Báo cáo kỹ thuật của Falih H Ahmad, James A Evans, Ernest L Miller (1996),

“Design of a High-Resolution, Coded, Portable Radar System”, tập trung vàochế tạo mạch cho 4 khối: khối phát, khối thu, khối vi xử lý, khối nguồn DC,trong đó chú ý là việc sử dụng vi điều khiển 87C550 để điều khiển hoạt độngcủa hệ thống Đây là một báo cáo kỹ thuật về xây dựng cả hệ thống radar

- Trong bản tin Bulletin of Defence Research and Development Organisation(DRDO), Vol 11 No 3 June 2003 ISSN : 0971-4413, phần Technology Focus,Radar Technology có trình bày về các nghiên cứu và chế tạo các khối của một

hệ thống rađa hoàn chỉnh: các khối ăng-ten, khối phát công suất cao, khối thu,khối nén xung, khối xử lý tín hiệu, khối xử lý dữ liệu Xuất phát về mặt quanđiểm của các nghiên cứu thành công này được đề cập ở phần đầu của bản tin.Xin được dịch một cách chính xác như sau: Chìa khóa cho sự phát triển thànhcông rất nhiều ứng dụng của các hệ thống rađa nằm ở chỗ là dựa vào các kiếnthức cơ bản về rađa vận dụng với các thiết kế mới Các công nghệ về linh kiệnmới như là ống dẫn sóng cực ngắn, linh kiện VLSI dựa trên các chíp ASIC, các

bộ dịch pha điều khiển điện tử, các khối xử lý tín hiệu số, và rất nhiều các linhkiện cao tần mới đã kết hợp với nhau để tạo nên sự phát triển cho các hệ thốngrađa thế hệ mới hiện đại và phức tạp.

Mục tiêu luận án

Qua sự giới thiệu về lịch sử phát triển của hệ thống định vị vô tuyến rađa và vềbức tranh toàn cuộc của các loại rađa đang phát triển cho đến ngày nay, chúng ta cóthể nhận thấy tính cấp thiết và tầm quan trọng của việc đi sâu nghiên cứu thiết kế vàchế tạo các hệ thống rađa riêng, hiện đại trong điều kiện của nước ta

Việc nắm rõ hoạt động của hệ thống giúp ta có thể làm chủ được công nghệ và cóthể biết cách vận dụng linh hoạt, hiệu quả Việc có thể thiết kế và chế tạo thành côngtrong các nhóm nghiên cứu chuyên sâu về rađa sẽ là một khẳng định cho nền khoa học

kĩ thuật và quân sự của Việt nam Chính vì thế, như đã đề cập ở trên, hiện nay đã có rấtnhiều các nhóm nghiên cứu mạnh về lĩnh vực này Trong các hội thảo chuyên đề vềcông nghệ thông tin và kĩ thuật điện tử hiện đại, việc trao đổi giữa các nhóm đem lạinhững kết quả rất đáng kinh ngạc cho sự khẳng định này Đề tài luận án này được thựchiện dưới sự hỗ trợ và trao đổi của các nhóm nghiên cứu như vậy

Khởi đầu của đề tài là tiếp cận hệ thống rađa hiện đại, với những thuật toán đòihỏi thông minh hơn, các yêu cầu bài toán đa dạng hơn và phức tạp hơn Từ đó đưa

ra mục tiêu chính là thiết kế và chế tạo các khối chức năng trong hệ thống sử dụngcác loại linh kiện điện tử hiện đại có độ tích hợp cao; xây dựng một hệ xử lý tín hiệu

số cho hệ thống; đề xuất và thực hiện một số giải pháp nhằm cải tiến tính năng hoạtđộng của hệ thống

Với đặt vấn đề như trên, luận án được trình bày chia thành 3 chương.Chương 1 trình bày về cơ sở kỹ thuật của rađa hiện đại, trong đó cũng có trình bày

về các khối cơ bản của hệ thống rađa truyền thống Nhưng tập trung đi vào khaithác các kỹ thuật hiện đại như các kỹ thuật cao tần mới, các kỹ thuật xử lý tín hiệu

số, việc dùng các linh kiện điện tử mới làm gọn nhẹ và tăng cường chức năng cho

hệ thống

Chương 2 trình bày vào một nội dung chính của luận án, đó là phần gia công

15

và xử lý tín hiệu số Chìa khóa của sự nghiên cứu thành công nằm ở chỗ biết cáchtriển khai cũng vẫn các công nghệ nền tảng nhưng là trên các thiết kế hiện đại Cácbài toán xử lý tín hiệu được mô phỏng sử dụng Matlab, VHDL, ADS, và thiết kếchế tạo phần cứng sử dụng các linh kiện, vật liệu điện tử hiện đại có độ tích hợpcao Các tính năng, độ linh hoạt của hệ thống trở nên vượt trội hơn so với các thế hệrađa truyền thống.

Chương 3 trình bày về nội dung chính còn lại của đề tài, là phần chế tạo tuyếnthu phát siêu cao tần Trong phần này, kỹ thuật tổ hợp tần số kết hợp với vi điềukhiển để tạo ra khối dao động nội cao tần Từ đó phát triển nên máy thu UHF có độnhạy cao với những thông số kỹ thuật có thể so sánh và vượt trội so với các máy thuhiện có trên thị trường Phần tuyến phát sử dụng kỹ thuật mạch dải và các kỹ thuậtcao tần khác đã tạo ra các khối khuếch đại công suất cao tần Những khối này lànhững thành phần mấu chốt cần xây dựng trong hệ thống rađa

Phần kết luận chung tổng kết lại các kết quả, thảo luận và nêu lên những đónggóp mới của các kết quả này so với những nghiên cứu hiện có trong và ngoài nước.Đặc biệt nhấn mạnh tính hiện đại hóa và làm chủ công nghệ chế tạo rađa trong điềukiện sử dụng của Việt nam

Tính đóng góp ứng dụng thực tiễn của luận án là nội dung nghiên cứu nằmtrong Dự án của Bộ Quốc phòng do Quân chủng Phòng không Không quân chủ trìnăm 2003-2006: “Cải tiến số hóa rađa bắt thấp P15”, triển khai tại Viện Phòngkhông Không quân Với nội dung phần thu thập, xử lý tự động, cải tiến hệ thốngthu, hệ thống chống nhiễu, tự động phát hiện mục tiêu rađa, nhận và truyền số liệu

do TS Bạch Gia Dương chủ trì

Mục tiêu tương lai của luận án là sau khi nghiên cứu, thiết kế, sử dụng thànhcông trong môi trường phòng thí nghiệm, sẽ giới thiệu đưa vào các đơn vị để kiểmtra và khai thác hoạt động Từ đó những phản hồi thực tế sẽ giúp cho hệ thống xử lýtín hiệu số này được hoàn thiện hơn, tiến dần đến việc đóng gói và thương phẩm

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ KỸ THUẬT RAĐA HIỆN ĐẠI

Cơ sở kỹ thuật của một hệ thống rađa hiện đại nhìn chung cũng phải dựa chủ

yếu vào các chức năng cơ bản của các rađa truyền thống Nhưng cốt lõi của sự thay

đổi là với những khối chức năng đó, chúng ta không sử dụng các kỹ thuật điện tử

trước đây mà cố gắng dùng các loại linh kiện điện tử mới thông minh hơn, đa năng

hơn để xây dựng Khi đó, rađa hiện đại theo quan điểm mới này là một hệ xử lý tín

hiệu trong đó có hai phần chính:

- Phần cao tần (thu, phát, điều chế) gắn vào xử lý tương tự

- Phần xử lý tín hiệu, gắn vào xử lý số

Phần trình bày dưới đây chủ yếu nhấn mạnh vào loại rađa xung (pulsed rađa

-PR) hơn là rađa liên tục (continuous wave - CW), mặc dù các ý tưởng đều có thể áp

dụng cho cả hai

1.1 Các chức năng cơ bản và các kỹ thuật xử lý của rađa hiện đại

[ 57,82,85 ]

Chức năng cơ bản nhất trong rađa là sự phát hiện có hay không có mục tiêu

hay các hiện tượng vật lý Điều đó yêu cầu việc quyết định xem là tại lối vào khối

thu tại các thời điểm nhất định có hay không có tín hiệu phản xạ từ mục tiêu, hay

chỉ đơn thuần là nhiễu Quyết định này thường được rút ra khi so sánh biên độ của

tín hiệu phản xạ A(t) với một thế ngưỡng V(t) đã được thiết lập trước trong hệ

thống Thời gian cần thiết cho một xung truyền đi một khoảng cách R và nếu có trở

về là ∆t = 2R/c (c là vận tốc ánh sáng) Khi đó, có thể xác nhận là có mục tiêu nằm

tại phạm vi:

2Tiếp sau khi mục tiêu đã được phát hiện, ta cần xác định vị trí và vận tốc của

mục tiêu Để xác định vị trí, chúng ta thường sử dụng hệ tọa độ cầu Ngoài thông số

R vừa đo được, góc phương vị θ (azimuth angle) và góc ngẩng φ (elevation angle)

được xác định theo hướng của ăng-ten hệ thống, vì rằng mục tiêu thường xác định

17

nhờ bởi búp sóng chính của ăng-ten Vận tốc v của mục tiêu được khai thác từ việc

đo độ dịch tần Doppler f d cho các mục tiêu chuyển động lại gần hay ra xa mục tiêu

λ

Trong đó, λ là bước sóng của bức xạ từ ăng-ten

Trong các hệ rađa truyền thống, nhất là trong lĩnh vực quân sự, chúng ta

thường quen thuộc với việc quan sát và phân tích các đốm sáng trên màn hình (blip)

để phát hiện và theo dõi mục tiêu Ngày nay, không chỉ có vậy, các hệ thống rađa

hiện đại (imaging rađa) có khả năng tái tạo được ảnh hai chiều (two-dimensional

image) của đối tượng Đây là một trong những phát triển quan trọng, được khai

thác trong rất nhiều các ứng dụng, ví dụ như phân tích chủng loại mục tiêu quân sự,

vẽ bản đồ, phân tích trạng thái băng bao phủ, trạng thái rừng bị phá, theo dõi sự biến

đổi của địa hình mặt đất… Các ảnh chụp bởi rađa này không có độ phân giải cao

hơn các ảnh chụp quang học, nhưng với việc suy giảm rất ít sóng điện từ khi đi qua

các đám mây, sương mù, lại cho rađa một tầm nhìn tuyệt vời hơn nhiều Chính vì

thế, với một hệ thống rađa hiện đại, việc nghiên cứu và xây dựng các hệ thống xử lý

ảnh số (digital image processing) là một phần cực kì quan trọng không thể thiếu.

Chất lượng của rađa được đo bằng các hệ số phẩm chất Với mỗi yêu cầu

khác nhau, sẽ có một số thông số trong các hệ số trên cần được ưu tiên hơn so với

các thông số khác Ví dụ trong yêu cầu phát hiện mục tiêu, thông số cơ bản là xác

suất phát hiện P D (probability of detection), xác suất phát hiện lầm P fa (probability

of false alarm) Với một hệ thống, P D càng lớn càng tốt, P fa càng nhỏ càng tốt Tuy

nhiên, thường không đạt được cùng một chiều hướng như vậy Để dung hòa,

người ta sử dụng tỉ số tín hiệu/nhiễu giao thoa SIR (signal-to-interference ratio).

Khi có nhiều mục tiêu cùng trong tầm nhìn của rađa, rất quan trọng cần xem

xét thêm về độ phân giải (resolution) và ảnh hưởng của các búp sóng phụ của

ăng-ten (side lobes) vì nếu không, có thể dẫn đến một kết luận sai lầm là chỉ phát hiện

được một mục tiêu trong khi có hai mục tiêu gần nhau Theo nhiều lý thuyết cho

thấy, độ phân giải phụ thuộc chính vào dạng sóng được phát đi, và khâu xử lí tín

hiệu phản xạ trở về.

Trong kỹ thuật xử lý tín hiệu rađa, có nhiều khái niệm và kĩ thuật tương đồngvới các lĩnh vực xử lý tín hiệu thông tin khác Ví dụ như các khối lọc tuyến tính

(linear filtering) hay lý thuyết phát hiện thống kê (statistical detection theory) là

một trong các khối trung tâm trong xử lý tín hiệu rađa Các phép biến đổi Fourier,

được hiện đại hóa bởi phép biến đổi Fourier nhanh FFT (fast Fourier transform), là các thuật toán chính được dùng trong các bộ lọc phối hợp (matched filter), trong các

ước tính về hiệu ứng Doppler hay trong các phép xử lý ảnh Trong phần trình bàydưới đây, chúng ta có thể thấy vai trò quan trọng của các bộ lọc Với kỹ thuật xử lý

số, các bộ lọc này sẽ đều là các bộ lọc số, với các thuật toán và cấu trúc bộ lọc rấtphong phú và đa dạng Các bộ biến đổi A/D, D/A là ranh giới biên của thế giới tínhiệu tương tự với thế giới tín hiệu số, sẽ cần được triển khai và khai thác để có thểthực hiện được nhiệm vụ xử lý số cho tín hiệu rađa

Bên cạnh những điểm giống nhau trên, xử lý tín hiệu rađa cũng có một số kỹthuật khác biệt hẳn so với các lĩnh vực khác Các rađa hiện nay thường là dạng

tương can (coherent), có nghĩa là tín hiệu nhận được về, sau khi giải điều chế về băng tần cơ sở, sẽ là một giá trị phức chứ không phải giá trị thực (thành phần I và Q) Về biên độ, tín hiệu thu rađa có một dải động rất lớn, có thể lên đến vài chục,

hoặc thậm chí 100 dB Vì vậy, trong khối thu, cần có phương án tự động điều chỉnh

hệ số khuếch đại (gain control) để tránh tình trạng tín hiệu yếu bị che bởi các tín hiệu mạnh hơn Theo đó, SIR sẽ được điều chỉnh thích hợp.

Đặc biệt quan trọng, so với các ứng dụng DSP khác, băng thông của tín hiệurađa rất lớn Băng thông tức thời cho một xung đơn thường cỡ vài MHz, trong cácrađa độ phân giải cao, có thể lên tới vài trăm MHz, thậm chí 1 GHz Điều này làmột trở ngại lớn cho các khâu xử lý DSP Đây cũng xem là một trong những trởngại luôn cần cân nhắc khi người thiết kế muốn lựa chọn các linh kiện thích hợp

Một xu hướng khác hiện nay, là khả năng xử lý thời gian thực (real-time processing) so với xử lý từng mảng dữ liệu như trước đây (block processing), kỹ

thuật có được khi thiết kế A/D, D/A trên tương can với các bo DSP tốc độ cao Đây

19

cũng là một ưu việt của các rađa hiện đại xử lí số Trong nghiên cứu của luận án đãđưa ra giải pháp thiết kế và chế tạo khối A/D, D/A tốc độ cao này.

1.2 Sơ đồ khối rađa xung [ 8, 38,57,82, 64 ]

Hình 1.1 là một trong các loại sơ đồ khối của một rađa xung đơn giản Khối

tạo dạng sóng (waveform generator) sẽ thiết kế để đưa ra dạng xung theo yêu cầu Khối phát (transmitter) điều chế dạng sóng này lên tần số sóng mang và khuếch đại

lên đến mức công suất cần thiết Đầu ra của khối phát được dẫn đến ăng-ten qua

một bộ song công ăng-ten (duplexer, circulator), hay còn gọi là khóa chuyển thu phát (transmit/receive switch).

Hình 1.1 Sơ đồ khối của một rađa xung

Tín hiệu vọng trở về cũng được dẫn đến bộ song công này để chuyển đến khốithu Khối thu thường có thiết kế máy thu kiểu trộn tần, với tầng đầu tiên là khuếch

đại RF tạp âm thấp (low-noise RF amplifier) Kế sau là một hoặc một vài tầng trộn sóng để thu được tín hiệu trung tần IF (intermediate frequencies) và theo đó là tín hiệu băng cơ sở Điều chế xuống được thực hiện với khối trộn (mixer) và khối dao động nội LO (local oscillator) Tín hiệu thu về dạng băng cơ sở bây giờ mới được

chuyển đến khối xử lý tín hiệu (signal processor) Tại đây mới đưa ra hàng loạt các

kỹ thuật xử lý như nén xung, lọc thích nghi, lọc Doppler, tích lũy xung… Đầu racủa khối xử lý sẽ có thể có nhiều dạng khác nhau, phụ thuộc vào yêu cầu mục đíchcủa rađa Ví dụ, với rađa bám, đầu ra là dòng dữ liệu về sự phát hiện, kèm theo làcác số liệu về cự ly, góc phương vị… nhưng đối với rađa ảnh thì đầu ra là các ảnh

hai hoặc ba chiều Lối ra này được gửi tới khối hiển thị (display) hay khối xử lý dữ liệu (data processor).

Các kỹ thuật xây dựng và chế tạo khối phát của rađa [ 19,61,98 ]

Khối phát rađa xung tạo ra các xung RF hẹp, công suất cao để bức xạ ra ngoài

không gian thông qua ăng-ten Phân loại các khối phát được chỉ ra trong Hình 1.2

Hình 1.2 Phân loại khối phát rađa

Khối phát được chia làm hai loại chính:

Khối phát dao động công suất POT (power oscillator transmitter): đây là loại không tương quan (non-coherent, psedo-coherent) Trong loại phát này, có một

tầng, thường là dao động magnetron, tạo ra các xung RF sau những khoảng thờigian cách biệt Loại magnetron này có nhược điểm là không linh động, tạp nhiễulớn Như tên gọi, đây là loại không tương quan, xung sau phát ra có pha khác vớipha xung trước

Khối phát khuếch đại công suất PAT (power amplifier transmitter): là loại được

dùng nhiều trong các rađa hiện nay Trong hệ thống này, các xung phát đi được điềuchế từ các loại mã, dạng sóng từ bộ tạo dạng sóng Các xung phát ra từ khối khuếch đạicông suất có mức công suất thấp, sau đó được thiết kế tại đầu ra sao

21

cho có mức công suất theo yêu cầu (nhờ các bộ cộng công suất) Một số loại thường

gặp là amplitron, klystron, khuếch đại đèn sóng chạy TWT (traveling wave tube), cross-field amplifier (CFA), hoặc khuếch đại bán dẫn (solid-state-amplifier) Các xung phát đi có pha như nhau nên có tính tương can (coherent).

Nhấn mạnh về khuếch đại bán dẫn: đây là kỹ thuật được ưa chuộng nhất hiệnnay Có thể thấy qua một sự phân loại khác là: tất cả các kỹ thuật trước như

magnetron, klystron, khuếch đại đèn sóng chạy TWT, hay CFA được xem là một

loại, còn khuếch đại bán dẫn là một loại Khuếch đại bán dẫn có ưu điểm chính làhoạt động trong dải tần rộng, dễ điều chỉnh tần số Nhược điểm của nó là không thểcấp được công suất đỉnh xung lớn, nên nó sẽ phát đi các xung rộng để đảm bảocông suất phát trung bình Vì thế, trong các hệ này thường cần khâu nén xung ở bênthu Nó còn không bị các vấn đề mà các đèn chân không gặp phải: catốt đốt nóng,không cần điện thế cao hay từ trường, không bức xạ tia X… Ngoài ra, từng tầngkhuếch đại công suất tuy thấp, nhưng thông qua các bộ cộng có thể đạt được côngsuất yêu cầu Các kỹ thuật cao tần như mạch dải, mạch vi dải cho các phối hợp trởkháng cũng rất phù hợp cho các transistor bán dẫn loại này Tóm lại, trong các hệrađa hiện đại tính năng cao, có rất nhiều lý do, cả về mặt kỹ thuật lẫn về xu thế, đểlựa chọn dùng khuếch đại bán dẫn

So sánh khối thu đầu cuối trong rađa thế hệ trước và rađa hiện đại [ 43 ]:

Việc ngày càng sử dụng nhiều các kỹ thuật số vào trong các phần tử của hệthống làm cho rađa càng trở nên mạnh và linh động, kích thước và giá thành chế tạolại giảm Chẳng hạn, Hình 1.3 chỉ ra sơ đồ khối của một khối thu đầu cuối của một

hệ thống rađa điển hình những năm 90 Trong hệ thống này đã tích hợp phần nén

xung, nhưng là nén xung tương tự APC (analog pulse compression) Như ta thấy, cần phải có một vài chặng biến đổi tương tự (analog downconversion) (gồm có phần trộn mixer với dao động nội LO và phần lọc dải thông BPF - band pass filter, lọc thông thấp LPF - low pass filter) thì mới có được tín hiệu đồng pha I (in-phase)

và vuông pha Q (quadrature) băng cơ sở có độ rộng dải thông đủ nhỏ để cho ADC

thời đó có thể lấy mẫu được Tín hiệu sau khi số hóa sẽ đưa vào các phần xử lý số

đằng sau (phát hiện, độ dịch tần, bám mục tiêu chuyển động…)

Hình 1.3 Khối thu đầu cuối của rađa điển hình những năm 1990

Hình 1.4 Khối thu số đầu cuối của rađa hiện đại

Tương phản, Hình 1.4 chỉ ra một khối thu số của một rađa Lối vào RF

thường chỉ cần qua một hoặc hai tầng xử lý tương tự để chuyển xuống dải trung tần

IF để có thể đi thẳng vào bộ biến đổi A/D tốc độ cao Bộ biến đổi giảm DDC (digital downconverter) biến đổi mẫu tín hiệu đã số hóa sang dạng phức tại tần số mẫu thấp hơn để sau khi qua khối nén xung số (DPC) sẽ đến phần xử lý đầu cuối (backend processing) Trong các phần thực nghiệm thực hiện, chúng ta sẽ có những thảo luận để thấy rằng các kỹ thuật xử lý số sẽ cải thiện rõ rệt được dải động, độ ổn

định và khả năng hoạt động của toàn hệ thống, trong khi giảm được kích thước vàgiá thành khi so với các kỹ thuật xử lý tương tự

Kết luận chương 1 và tiếp cận mục tiêu luận án

Chương 1 đã tổng quan về sơ đồ khối hoạt động của hệ thống rađa phát xung:

- Những chức năng cơ bản của hệ thống không có nhiều thay đổi, tuy nhiên cónhiều cải thiện về giải pháp và kỹ thuật liên quan đến việc sử dụng kỹ thuật số

và các công nghệ hiện đại vào một số hệ thống của rađa, góp phần làm

23

tăng tính năng, hoạt động, nâng cao tính ổn định, giảm thiểu giá thành, kíchthước của rađa, rút ngắn thời gian lấy mẫu hoặc xử lý tín hiệu, lưu trữ vàtruyền đi dữ liệu.

- Xu thế bán dẫn hóa nhằm nâng cao công suất phát kết hợp với mạch vi dải và

hệ thống ăng-ten thông minh cho phép hiện đại hóa rađa không chỉ ở phần thu

và mã hóa xung phát

Theo kết luận của chương 1, đề tài luận án hướng đến việc giải quyết bài toánhiện đại hóa các đài rađa thế hệ cũ phát tín hiệu xung đơn với công suất đỉnh xunglớn và tần số cao phát ra không ổn định, làm ảnh hưởng đến các thuật toán lọc chomục tiêu di động Trong đề cập đầu chương, một trong những thông số quan trọngcần tìm hiểu của mục tiêu di động là tốc độ Muốn có tính toán chính xác, đòi hỏitần số phát đi ổn định cao, khối thu phải xử lý tín hiệu phản xạ tốt để tách ra được

độ dịch tần Doppler

Đề xuất về mặt ý tưởng và đưa ra giải pháp giải quyết của luận án là tập trung

vào phần gia công tín hiệu, phát tín hiệu xung rộng mã pha và thực hiện nén xung ở phía máy thu Khi phát đi tín hiệu dải rộng, một ưu điểm lớn thu được là cho phép

giảm công suất đỉnh xung trong khi vẫn đảm bảo được công suất trung bình, và nhưthế vẫn đảm bảo được cự ly phát hiện trong phương trình rađa Khi làm giảm côngsuất đỉnh xung cho phép sử dụng các bóng bán dẫn thay cho các đèn Manhetron vàcác đèn điện tử siêu cao tần khác

Và cũng từ đó, đưa ra ý tưởng và thiết kế các mô đun công suất siêu cao tần

và tổ hợp tần số dùng công nghệ mạch dải Đây là một giải pháp kỹ thuật mới cho

phép làm chủ thiết kế chế tạo tuyến thu siêu cao tần với khả năng phối hợp trởkháng tốt, có tần số làm việc và dải tần chủ động theo mong muốn, độ ổn định tần

số cao theo tần số tham chiếu của thạch anh

Với tín hiệu dải rộng, máy thu tương tự cũng được thiết kế hoàn chỉnh cho

phù hợp với tuyến phát và các ưu điểm của tín hiệu dải rộng

Phần gia công tín hiệu, kết hợp các phần mềm mô phỏng, luận án giải quyết

việc tạo mã và điều chế mã pha BPSK luôn gắn liền với việc sử dụng linh hoạt vi

điều khiển PIC Đặc biệt, luận án còn đề xuất và giải quyết được phương án phát xen kẽ mã M với mã Barker để mở rộng phạm vi tìm kiếm mục tiêu Để chứng minh

cho ý tưởng này, luận án đã tiến hành việc tạo mã và mô phỏng thành công quátrình nén xung tín hiệu mã pha xen kẽ này

Phần xử lý tín hiệu, do sử dụng máy phát bán dẫn độ ổn định cao, cho phép sử

dụng các thuật toán lọc mục tiêu di động có các tần số Doppler khác nhau Các bộ lọc số đa băng này được thiết kế trên 2 bo mạch DSP TMS320C6416T của hãng Texas Instrument và Motorola 56307EVM, có phần chế tạo thêm A/D, D/A tốc độ cao cho các ứng dụng xử lý tín hiệu số cao tần.

Với những ý tưởng định hướng trên, luận án sẽ đóng góp một phần quantrọng vào việc cải tiến nên các hệ thống rađa hiện đại

25

CHƯƠNG 2 GIA CÔNG VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU 2.1 Gia công tín hiệu

2.1.1 Tạo dạng sóng và giải pháp phát mã xen kẽ sử dụng vi điều khiển

Như chúng ta đã biết, có rất nhiều loại rađa khác nhau, được ứng dụng trongrất nhiều lĩnh vực của cuộc sống, khoa học kỹ thuật và quân sự Với mỗi loại, lại có

sự cân nhắc loại mã nào được chọn [14,68] Việc chọn mã này rất quan trọng, quyếtđịnh rất nhiều tính năng hoạt động và các khâu xử lý tín hiệu của hệ thống rađa

Mã được chúng ta chọn dùng ở đây là mã Barker Có hai lí do dẫn đến quyếtđịnh này Thứ nhất, đây là một loại mã rađa truyền thống Thứ hai, chúng ta đãnghiên cứu đề cập đến khả năng sử dụng kĩ thuật nén xung xử lí tín hiệu để nângcao tỉ số tín hiệu/tạp Mã Barker là loại mã rất thích hợp cho hoạt động nén xung vì

khi nén xung, sẽ thu nhận được kết quả đầu ra của hàm tự tương quan correlation) có một đỉnh chính có độ dài bằng độ dài mã N, còn các đỉnh phụ có giá

(auto-trị bằng 1 Khi đó ta rất dễ nhận biết được thời điểm của xung phản xạ trở về[13,29,69,87] Bảng 2.1 giới thiệu về các chuỗi mã Barker

Bảng 2.1 Các chuỗi mã Barker Chiều dài mã N

Ví dụ, mã Barker 13 bít được mô tả như trong Hình 2.1 sau đây

Hình 2.1 Mã Barker 13 bít

Đặc biệt, nghiên cứu của đề tài đề xuất một giải pháp để đồng thời tìm kiếm

các đối tượng ở gần và xa, mã M là mã giả ngẫu nhiên được chọn thêm vào để phát

xen kẽ với mã Barker Mã Barker độ dài tối đa 13 bít là mã ngắn, sẽ được dùng để

quét các mục tiêu ở gần Mã M là mã giả ngẫu nhiên (GNN) có chiều dài mã bằng

2m - 1, với m là trọng số mũ cao nhất trong đa thức nguyên thủy của mã Một chú ý

là nếu dùng mã GNN dài này để tìm kiếm mục tiêu ở gần thì sẽ xảy ra hiện tượng

xung mã chưa phát hết đi đã bị chồng chập bởi sự trở về nhanh chóng của chínhxung đó, hoặc sự phản xạ trở về của hai xung phản xạ từ hai mục tiêu rất gần nhau

Vì thế ta sẽ dùng hai mã phát xen kẽ, và dùng kỹ thuật nén xung ở phần xử lý tínhiệu phản xạ

2.1.1.1 Mô phỏng kĩ thuật phát mã Barker và mã M xen kẽ

Công cụ mô phỏng sử dụng là Matlab Simulink Mô hình khối tạo mã đượcthiết kế như trong Hình 2.2 Trong mô hình này có 2 khối tạo mã, tương ứng cho

mã Barker và mã M Sau đó hai mã được bố trí lệch pha nhau và cộng qua bộ cộng.

M· Barker 13 bit

Khèi ph¸t chuçi m· ng¾n

1111100110101

Bé céng M· M 63 bÝt

Khèi ph¸t chuçi m· dµi (m· gi¶ ngÉu nhiªn)

Hình 2.2 Mô hình khối tạo mã Barker và mã M phát xen kẽ

Kết quả được chỉ ra trong hình ảnh chụp của dao động kí trong Hình 2.3 Ởkênh 1 là hình ảnh của mã Barker 13 bít Ở đây để mô phỏng, mã được phát nhưsau: Trong một khoảng thời gian lặp lại xung 156 xung nhịp thì phát ra một mãBarker 13 bít có giá trị:

Ở kênh 2 là mã GNN với đa thức phát sinh: x6 + x + 1 và trạng thái ban đầu

{000001} cho 6 thanh ghi dịch Mã GNN 26 - 1 = 63 bít đƣợc phát ra có giá trị: {111001001011011101100110101011111100000100001100010100111101000}

Mã GNN đƣợc phát ra trễ sau 30 xung nhịp tránh chồng chập lên mã Barker

Ở kênh 3, 2 tín hiệu mã này đƣợc cộng lại với nhau Cuối cùng đƣợc dòng mãnhƣ sau: trong 156 xung nhịp, phát ra 13 nhịp cho mã Barker, nghỉ 17 nhịp rồi tiếp

tục phát đi mã GNN 63 nhịp, phần cuối cùng lại về trạng thái 0 Trên thực tế, thời

gian lặp lại xung phải dài hơn để các mã trong hai xung mã phải cách xa nhau Ởđây để dễ dàng quan sát, chúng tôi chọn là 156 xung nhịp

Hình 2.3 Tín hiệu mã Barker và mã M phát xen kẽ

2.1.1.2 Mã điều tần tuyến tính LFM [ 14 ]

Trong nghiên cứu về các loại mã, đề tài cũng đã khảo sát một loại tín hiệu cho

rađa phát sóng liên tục Đó là dạng sóng điều tần tuyến tính LFM (linear frequency modulation) (Hình 2.4) Ƣu điểm của loại sóng này là hay dùng cho việc tính toán

độ phân giải và độ dịch tần Doppler (để tính vận tốc) vì loại điều chế này làm mở

rộng băng thông của tín hiệu Hơn nữa, mã LFM này cũng thích hợp kĩ thuật nén

xung trong phần xử lí tín hiệu

28

Hình 2.4 Dạng sóng điều tần tuyến tính, (a) tăng tần số, (b) giảm tần số

Một tín hiệu LFM được biểu diễn:

s LFM (t) =

Trong đó, A(t)- biên độ tín hiệu, f 0 - tần số trung tâm, µ = (2πB)/τ - hệ số

LFM, dấu (+) cho tần số tăng tuyến tính; (-) cho tần số giảm tuyến tính.

Ở đây, việc tạo mã có sử dụng công cụ lập trình Matlab, sử dụng phần mềmGoldwave và tận dụng khả năng xử lý tín hiệu số của máy tính số và card âm thanhtrong máy tính để đưa ra các dạng tín hiệu này Các kết quả trình bày dưới đây:

29

Sử dụng Goldwave v5.14, chúng ta có thể tận dụng chức năng xử lí tín hiệu sốtrong máy tính để thực hiện bất cứ yêu cầu nào về tín hiệu số Ngoài ra, có thể tậndụng card âm thanh với tần số giới hạn 44.1 kHz để đƣa tín hiệu ra bên ngoài Đâycũng là một hạn chế lớn về mặt tần số của tín hiệu, tuy nhiên, hoàn toàn đáp ứngcho việc nghiên cứu trong mô hình phòng thí nghiệm.

Với phần mềm này, chúng ta hoàn toàn có thể khống chế đƣợc độ rộng xung τ

và khoảng lặp lại xung PRI (pulse repetition interval) để có thể đạt đƣợc tỉ số tín

hiệu/tạp tốt nhất, vì rằng tỉ số này phụ thuộc vào công suất phát xung (hoặc chính là

độ rộng xung) Hình 2.6, Hình 2.7 là một số dạng sóng tạo đƣợc và đƣa ra card âmthanh, chụp trên dao động kí số

Hình 2.6 Tín hiệu LFM tần số tăng dần, chụp trên dao động kí Yokogawa Digital

Oscilloscope DL1720E

Hình 2.7 Chuỗi xung tín hiệu LFM

2.1.1.3 Chế tạo mạch dùng vi điều khiển PIC16F877A phát mã Barker

Vi điều khiển PIC16F877A

Trong thời đại điện tử ngày nay, để thiết kế các mạch cho các ứng dụng điện tửkhác nhau, các nhà thiết kế luôn nghĩ đến việc chọn những linh kiện tối ưu hàng

đầu, rất thuận tiện cho thiết kế và đơn giản trong chế tạo Vi điều khiển (VĐK) là

một trong những linh kiện đó VĐK được xem như một cấu trúc máy tính thu nhỏ.Trong đó có bộ vi xử lý, có RAM, ROM, các bộ phận để xuất / nhập dữ liệu, khảnăng nạp các chương trình phần mềm xử lí Ta hình dung một mạch điện với rấtnhiều linh kiện và dây dẫn phức tạp, tất cả chỉ cần thực hiện trên một con IC vi điềukhiển

Như cũng đã đề cập, đây cũng là một trong các đóng góp của luận án, sử dụngloại linh kiện mới để thay thế cho mạch điện cồng kềnh trước đây

Vi điều khiển sử dụng ở đây là PIC16F877A, thuộc họ PIC16F87xA của hãngMicroChip Thông số kĩ thuật của VĐK này như sau:

- Timer0: 8 bít của bộ định thời, bộ đếm với hệ số tỉ lệ trước

- Timer1: 16 bít của bộ định thời, bộ đếm với hệ số tỉ lệ trước, có khả năng tăng trong khi ở chế độ Sleep qua xung clock được cung cấp bên ngoài

- Timer2: 8 bít của bộ định thời, bộ đếm với 8 bít của hệ số tỉ lệ trước, hệ số tỉ

lệ sau

- Có hai chế độ bắt giữ, so sánh, điều chế độ rộng xung (PWM)

- Chế độ bắt giữ với 16 bit , với tốc độ 12.5 ns, chế độ so sánh với 16 bit, tốc

độ xử lý nhanh nhất là 200ns, chế độ điều chế độ rộng xung với 10 bit

- Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự với 10 bít

- Cổng truyền thông nối tiếp SSP với SPI phương thức chủ và I2C (chủ/phụ)

- Bộ truyền nhận thông tin đồng bộ, dị bộ (USART/SCL) có khả năng phát hiện 9 bít địa chỉ

- Cổng phụ song song (PSP) với 8 bít mở rộng, với RD, WR và CS điều khiển

Sơ đồ khối của PIC16F877A được chỉ ra trên Hình 2.8

31

Hình 2.8 Sơ đồ khối của vi điều khiển

PIC16F877A Chế tạo mạch dùng vi điều khiển PIC16F877A

Ở đây, trong quá trình thực nghiệm, IC PIC16F877A được chế tạo trên hai bảnmạch Hình 2.9 là một kít phát triển, thực hiện được rất nhiều các nhiệm vụ khác nhau

bằng VĐK Hình 2.10 là mạch riêng, chuyên dùng cho việc phát các chuỗi mã

Mạch điện trên Hình 2.9 và Hình 2.10 được thiết kế rất thuận tiện cho việc lập

trình bởi ta có thể nạp chương trình cho VĐK và chạy chương trình trên cùng một

bo mạch Sở dĩ ta có thể làm như vậy vì ở đây ta dùng chương trình Tiny Bootloader để nạp chương trình cho VĐK Nguồn tạo dao động cho VĐK là thạch anh 20 MHz, với thạch anh này thời gian thực hiện một chu kỳ lệnh VĐK là 0.2 µs.

Hình 2.9 Kít phát triển dựa trên vi điều khiển PIC16F877A

Hình 2.10 Mạch vi điều khiển PIC16F877A dùng cho phát chuỗi mã tín hiệu

2.1.1.4 Kết quả tạo mã Barker sử dụng mạch VĐK PIC16F877A

Các chuỗi mã (Hình 2.11) lần lượt được tạo ra trên cùng một mạch điện Hình2.10, chỉ cần thay đổi mã của chương trình nguồn Đây chính là một cải tiến quan

trọng khi dùng VĐK, vì nó tối ưu hơn so sánh với việc muốn tạo ra 4 dòng mã

Barker thì như trước đây phải cần 4 mạch điện cồng kềnh khác nhau

Phát mã Barker 13 bít có độ rộng bít thay đổi

Do tần số làm việc của thạch anh là 20 MHz nên thời gian cho một chu kì lệnh

của VĐK được tính toán cỡ 0,2 µs Vì thế chúng ta có thể phát ra được các bít có độ rộng tối thiểu xấp xỉ lớn hơn 0,2 µs.

Điều này cũng rất quan trọng, vì thực tế đã có rất nhiều nghiên cứu để cố gắngphát ra các bít có độ rộng bít càng nhỏ càng tốt (độ phân giải mục tiêu sẽ càng cao).Nhưng nếu dùng các linh kiện rời để lắp ráp, do mỗi linh kiện có một thời gian trễnên tổng thời gian trễ qua nhiều linh kiện sẽ rất lớn Vì thế khó thu được các bít độ

rộng rất hẹp Ngoài ra, các mạch không dùng VĐK rất khó có thể điều chỉnh để có

bít có độ rộng bít thay đổi theo ý muốn

Trên Hình 2.12 là kết quả phát mã Barker 13 bít độ rộng bít 0,8 µs, 3.2 µs.

Trên Hình 2.13 là ~3,3 µs (3,2 µs), là thông số thực tế của các tín hiệu rađa.

Hình 2.13 Chu kì lặp lại xung 1 ms, tần số lặp lại xung 1 khz

Hình 2.14 chỉ ra rằng thời gian chuyển mức (level transition time) là rất nhỏ,

cỡ 12 ns, nên các bít này rất sắc nét, gần như thẳng đứng.

Hình 2.14 Thời gian sườn lên và sườn xuống cũng là 12ns

2.1.2 Điều chế trung tần mã BPSK của chuỗi Barker 13 bít dùng VĐK [45,101 ]

2.1.2.1 Mô phỏng quá trình trộn mã lên trung tần

Điều chế BPSK (Binary Phase Shift Keying) đã được phát triển trong suốt thời

kỳ đầu của chương trình phát triển vũ trụ và ngày nay nó được sử dụng rộng rãi

trong các hệ thống thông tin quân sự và thương mại BPSK là một phương pháp điều chế số liệu hiệu quả trong lĩnh vực đo lường từ xa Đó là vì BPSK tạo ra một

xác suất lỗi thấp nhất với mức tín hiệu thu cho trước khi đo một chu kỳ dấu hiệu

BPSK là điều chế khóa dịch pha nhị phân, là kỹ thuật điều chế tín hiệu số với

bit 0 tương ứng với tín hiệu sóng có pha bằng 180° và bit 1 tương ứng với sóng

mang có pha bằng 0° Mã Barker được phát đi dưới dạng những chuỗi xung, tương

ứng là tín hiệu Barker BPSK cũng là một chuỗi các xung được phát đi đều đặn sau

những khoảng thời gian nhất định Chúng ta làm như vậy để có được tín hiệu phátchính thức của rađa xung Sóng dùng để điều chế là sóng trung tần có tần số10MHz

Trước hết, chúng ta tiếp tục xây dựng mô hình điều chế khóa dịch pha nhị

phân BPSK (Hình 2.15) Bằng cách tạo ra khối sin trung tần, nhân với tín hiệu mãđược tạo trong Hình 2.3, sẽ thu được tín hiệu BPSK trong Hình 2.16

M· Barker + M· M

Khèi ph¸t m· xen kÏ

Sine Wave

Hình 2.15 Mô hình điều chế BPSK

Hình 2.16 Điều chế khóa dịch pha nhị phân BPSK cho chuỗi mã

2.1.2.2 Thiết kế và chế tạo khối trộn mã BPSL trung tần