(Luận án tiến sĩ) xây dựng hệ thống xử lý tín hiệu số trong hệ định vị vô tuyến luận án TS vật lý62 44 03 01

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT A/D Analog to Digital Biến đổi tương tự - số ADS Advanced Design System Phần mềm thiết kế hệ thống của Agilent AGC Automatic Gain Control Điều khiển

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 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ KỸ THUẬT RAĐA HIỆN ĐẠI 17

1.1 Các chức năng cơ bản và các kỹ thuật xử lý của rađa hiện đại 17

1.2 Sơ đồ khối rađa xung 20

Kết luận chương 1 và tiếp cận mục tiêu luận án 23

CHƯƠNG 2 GIA CÔNG VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU 26

2.1 Gia công tín hiệu 26

2.1.1 Tạo dạng sóng và giải pháp phát mã xen kẽ sử dụng vi điều khiển 26

2.1.1.1 Mô phỏng kĩ thuật phát mã Barker và mã M xen kẽ 27

2.1.1.2 Mã điều tần tuyến tính LFM 28

2.1.1.3 Chế tạo mạch dùng vi điều khiển PIC16F877A phát mã Barker 30

2.1.1.4 Kết quả mã Barker được phát bởi mạch VĐK PIC16F877A 33

2.1.2 Điều chế trung tần mã BPSK của chuỗi Barker 13 bít dùng VĐK 36

2.1.2.1 Mô phỏng quá trình trộn mã lên trung tần 36

2.1.2.2 Thiết kế và chế tạo khối trộn mã BPSK trung tần 37

2.2 Xử lý tín hiệu 41

2.2.1 Giải pháp nâng cao tỉ số tín hiệu/tạp, độ phân giải 42

2.2.1.1 Sự phụ thuộc của tỉ số tín hiệu/tạp theo các thông số rađa 42

2.2.1.2 Khảo sát bộ lọc phối hợp và hàm bất định 45

2.2.2 Xác suất phát hiện và xác suất báo động lầm khi có nhiễu 47

2.2.2.1 Một số lí thuyết về xác suất phát hiện và xác suất báo động lầm 47

2.2.2.2 Tích lũy xung 50

2.2.2.3 Mô phỏng việc tính toán mối quan hệ giữa PD, Pfa, và tỉ số SNR 53

2.2.2.4 Mô phỏng khảo sát kỹ thuật tích lũy xung 54

2.2.3 Kỹ thuật nén xung tín hiệu điều chế BPSK mã Barker xen kẽ mã M 58

2.2.4 Thiết kế, chế tạo các bộ lọc số FIR, IIR trên DSP TMS320C6416T 63

2.2.4.1 Lí thuyết về kĩ thuật lọc số FIR và IIR 63

2.2.4.2 Một số mô phỏng về kỹ thuật lọc số 66

2.2.4.3 Thiết kế bộ lọc trên TMS320C6416T DSK 68

2.2.5 Thiết kế và chế tạo A/D, D/A tốc độ cao cho DSP56307EVM 75

2.2.5.1 Bo xử lí tín hiệu số DSP56307EVM của hãng Motorola 75

2.2.5.2 Thiết kế và chế tạo A/D, D/A tốc độ cao cho DSP56307 78

Kết luận chương 2 81

CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO TUYẾN THU PHÁT SIÊU CAO TẦN 84

3.1 Tuyến thu 84

3.1.1 Khối dao động nội sử dụng kỹ thuật tổ hợp tần số PLL 84

3.1.1.1 Kỹ thuật tổ hợp tần số dùng vòng khóa pha 84

3.1.1.2 Thực hiện tổ hợp tần số dùng PLL bằng vi điều khiển 87

3.1.1.3 Các kết quả của khối tạo dao động nội cao tần 91

3.1.2 Máy thu UHF 93

3.1.2.1 Một số lý thuyết về máy thu siêu cao tần 93

3.1.2.2 Thiết kế và chế tạo máy thu giải mã UHF 97

3.2 Tuyến phát 101

3.2.1 Khái niệm về khuếch đại công suất cao tần 102

3.2.2 Tham số tán xạ 102

3.2.3 Đường dây vi dải 105

3.2.4 Mô phỏng bằng ADS 107

3.2.5 Thiết kế và chế tạo khối khuếch đại công suất cao tần 108

3.2.5.1 Công suất xung 90 W 108

3.2.5.2 Công suất 2 tầng 45 W và 90 W 113

Kết luận chương 3 116

KẾT LUẬN CHUNG 118

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO 123

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

A/D Analog to Digital Biến đổi tương tự - số

ADS Advanced Design System Phần mềm thiết kế hệ thống của

Agilent AGC Automatic Gain Control Điều khiển khuếch đại tự động APC Analog Pulse Compression Nén xung tương tự

BPF Band Pass Filter Bộ lọc dải thông

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

CCS Code Composer Studio Môi trường soạn thảo mã

CW Continuous Wave Rađa Rađa sóng liên tục

D/A Digital to Analog Biến đổi số - tương tự

DDC Digital DownConverter Bộ biến đổi xuống dạng số

DPC Digital Pulse Compression Nén xung số

DSK DSP Starter Kit Kít phát triển xử lý tín hiệu số DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số

DUT Device Under Test Thiết bị đang được kiểm tra FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

FIR Finite Impulse Response Đáp tuyến xung hữu hạn

IAGC Instantaneous Automatic Điều khiển tự động

Gain Control khuếch đại tức thời

IF Intermediate Frequency Tần số trung tần

IIR Infinite Impulse Response Đáp tuyến xung vô hạn

LFM Linear Frequency Modulation Điều tần tuyến tính

LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp

MDS Minimum Detectable Signal Tín hiệu có thể phát hiện nhỏ nhất PAT Power Amplifier Transmitter Khối phát khuếch đại công suất

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

POT Power Oscillator Transmitter Khối phát dao động công suất

PRA Parabolic Reflector Antenna Ăng-ten phản xạ pa-ra-bôn

PRF Pulse Repetition Frequency Tần số lặp lại xung

PRI Pulse Repetition Interval Khoảng lặp lại xung

RCS Rađa Cross Section Tiết diện rađa

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu / tạp

STC Sensitivity Time Control Điều khiển độ nhạy theo thời gian TAGC Timing Automatic Gain Control Điều khiển khuếch đại tự động theo

thời gian UHF Ultra High Frequency Tần số siêu cao tần

VCO Voltage Controlled Oscillator Bộ dao động có tần số điều khiển

bằng điện áp

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 20

Hình 1.2 Phân loại khối phát rađa 21

Hình 1.3 Khối thu đầu cuối của rađa điển hình những năm 1990 23

Hình 1.4 Khối thu số đầu cuối của rađa hiện đại 23

Hình 2.1 Mã Barker 13 bít 26

Hình 2.2 Mô hình khối tạo mã Barker và mã M phát xen kẽ 27

Hình 2.3 Tín hiệu mã Barker và mã M phát xen kẽ 28

Hình 2.4 Dạng sóng điều tần tuyến tính, (a) tăng tần số, (b) giảm tần số 29

Hình 2.5 Mô phỏng Matlab tín hiệu và phổ tần LFM 29

Hình 2.6 Tín hiệu LFM tần số tăng dần, chụp trên dao động kí Yokogawa Digital Oscilloscope DL1720E 30

Hình 2.7 Chuỗi xung tín hiệu LFM 30

Hình 2.8 Sơ đồ khối của vi điều khiển PIC16F877A 32

Hình 2.9 Kít phát triển dựa trên vi điều khiển PIC16F877A 33

Hình 2.10 Mạch vi điều khiển PIC16F877A dùng cho phát chuỗi mã tín hiệu 33

Hình 2.11 Các chuỗi mã Barker tạo trên PIC16F877A 34

Hình 2.12 Mã Barker 13 bít {1111100110101}, (a) độ rộng 0,8 µs, (b) 3.2 µs 35

Hình 2.13 Chu kì lặp lại xung 1 ms, tần số lặp lại xung 1 khz 36

Hình 2.14 Thời gian sườn lên và sườn xuống cũng là 12ns 36

Hình 2.15 Mô hình điều chế BPSK 37

Hình 2.16 Điều chế khóa dịch pha nhị phân BPSK cho chuỗi mã 37

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý mạch chế tạo mã pha BPSK 38

Hình 2.18 Sơ đồ khối của HEF4052B 38

Hình 2.19 Tín hiệu điều chế mã pha nhị phân 39

Hình 2.20 Quá trình điều chế mã pha bằng vi điều khiển 39

Hình 2.21 Mạch tạo mã pha BPSK 40

Hình 2.22 Tín hiệu ngược pha dùng để điều chế mã BPSK 41

Hình 2.23 Tín hiệu điều chế BPSK của chuỗi mã Barker 41

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 44

Hình 2.25 Hàm bất định của xung đơn (a,c)và LFM (b,d) 46

Hình 2.26 Sơ đồ khối bộ phát hiện đường bao và bộ thu phát hiện ngưỡng 47

Hình 2.27 Mô tả thời gian báo động lầm 49

Hình 2.28 PDF của nhiễu, nhiễu + tín hiệu khi P fa = 10 -2 50

Hình 2.29 Sự trở về từ mục tiêu của các mô hình Swerling 52

Hình 2.30 Sự phụ thuộc của P D vào tỉ số SNR với P fa cố định (xung đơn) 54

Hình 2.31 Sự phụ thuộc của I np vào số xung được tích lũy 55

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 56

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 56

Hình 2.34 P D (SNR), P fa = 10 -12 chung cho cả 5 mô hình khi n p = 1 57

Hình 2.35 P D (SNR), P fa = 10 -12 , n p = 10 58

Hình 2.36 Hàm tương quan chéo của dãy x(n), y(n) 60

Hình 2.37 Hàm tự tương quan của dãy x(n), y(n) 60

Hình 2.38 Khối nén xung tín hiệu mã xen kẽ 61

Hình 2.39 Mạch nén xung cho hai loại mã 61

Hình 2.40 Kết quả của việc nén xung khi mức nhiễu thấp 62

Hình 2.41 Kết quả của việc nén xung khi mức nhiễu thấp 63

Hình 2.42 Ví dụ về bộ lọc thông thấp 8 mắt lọc FIR 65

Hình 2.43 Mô phỏng bộ lọc dải thông trượt tiêu các tần số nhiễu, tăng tỉ số SNR 66

Hình 2.44 Cấu trúc và đặc tuyến tần số của bộ lọc số 67

Hình 2.45 Mô hình các đường tín hiệu của bộ lọc 68

Hình 2.46 Dạng sóng lối vào/lối ra của bộ lọc chạy trên ModelSim 68

Hình 2.47 Kít phát triển TMS320C6416T DSK 70

Hình 2.48 Các khối chức năng của TMS320C6416T DSK 70

Hình 2.49 Lối vào/ra của bộ lọc FIR (a) 2100Hz, (b) 1900Hz, (c) 2300Hz 72

Hình 2.50 Đáp tuyến tần số của các bộ lọc FIR 73

Hình 2.51 Đặc tuyến tần số của bộ lọc đa băng 73

Hình 2.52 Đặc tuyến tần số của các bộ lọc IIR 75

Hình 2.53 Bo mạch DSP56307 của hãng Motorola 76

Hình 2.54 Sơ đồ khối chức năng của DSP56307EVM 77

Hình 2.55 Sơ đồ khối CODEC CS4218 78

Hình 2.56 Sơ đồ khối kết nối song song giữa cổng HI08 với khối A/D, D/A 79

Hình 2.57 Sơ đồ mạch in khối A/D, D/A tốc độ cao 80

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 80

Hình 3.1 Lưu đồ vòng khóa pha PLL 84

Hình 3.2 Khối so pha 85

Hình 3.3 Khối so pha 85

Hình 3.4 Sơ đồ khối tổ hợp tần số dùng PLL thực hiện bằng VĐK 88

Hình 3.5 Sơ đồ khối của LMX2316 88

Hình 3.6 Sơ đồ mạch nguyên lý của khối PLL 89

Hình 3.7 Mạch điện PLL chế tạo thực tế 89

Hình 3.8 Sơ đồ khối phần VCO 90

Hình 3.9 Mạch VCO chế tạo thực tế 90

Hình 3.10 Phổ của các tần số cao tần VCO 92

Hình 3.11 Sơ đồ khối các mô-đun thu UHF 94

Hình 3.12 Dạng sóng đặc trưng của STC 96

Hình 3.13 Sơ đồ khối khuếch đại loga 97

Hình 3.14 Sơ đồ khối của IC AD6006 khuếch đại loga 98

Hình 3.15 Tín hiệu giải điều chế tại 900 MHz, -80 dBm 99

Hình 3.16 Tín hiệu giải điều chế tại 730 MHz, -100 dBm 100

Hình 3.17 Tín hiệu giải điều chế tại 740 MHz, -100 dBm 100

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 sóng điện 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 hai tàu bị cắt đứt lúc có một tuần dương hạm chạy ngang qua Lí do là do sóng vô tuyến

bị phản xạ khi gặp chướng ngại vật Ông đã nghĩ ngay ra việc lợi dụng nguyên lý này để kiểm tra, xác định vị trí và dẫn đường cho tàu thuyền Đây được xem 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 cải thiện 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

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 các thiết 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 nên phức 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 có những nghiên cứu rất quan trọng trong lĩnh vực rađa, không chỉ về mặt quân sự mà còn 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 học Quốc gia Hà nội, Viện Rađa thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Học viện Quân chủng Phòng không Không quân, Học viện Kỹ thuật quân sự, Bộ quốc phòng 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 tín hiệu trong tổng thể hệ thống rađa Các nghiên cứu này đều đang bước đầu tiếp cận các 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, tự động xác định toạ độ, tự động phát hiện và tự động bám quỹ đạo mục tiêu, nâng cao xác suất phát hiện đúng tín hiệu rađa Nghiên cứu ứng dụng phương pháp xử lý phân 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 Compression Code with Small PSL and Small S/N Loss” [78], đưa ra một số loại mã và thực hiện 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 for Radar Performance Analysis” [45], và Nadav Levanon (2006), “Noncoherent Pulse Compression” [69], đưa ra mô phỏng kỹ thuật nén xung thực hiện với mã Barker 13 bít điều chế BPSK Ngoài ra Levanon cũng thực hiện nén xung với các 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 Coded Pulses” [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

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

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

- Một nghiên cứu khác của Nadav Levanon (2006), “Cross-correlation of long binary signals with longer mismatched filters” [70], đã đề xuất đến việc tìm hiểu 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 việc phát mã tuy dễ dàng như cần cân nhắc phù hợp với kỹ thuật nén xung, đảm bảo cánh 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 vào chế 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 động của 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 quan điểm 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 thành công rất nhiều ứng dụng của các hệ thống rađa nằm ở chỗ là dựa vào các kiến thức cơ bản về rađa vận dụng với các thiết kế mới Các công nghệ về linh kiện mới 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 linh kiện cao tần mới đã kết hợp với nhau để tạo nên sự phát triển cho các hệ thống rađa 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 về bức tranh toàn cuộc của các loại rađa đang phát triển cho đến ngày nay, chúng ta có thể nhận thấy tính cấp thiết và tầm quan trọng của việc đi sâu nghiên cứu thiết kế và chế 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

có thể biết cách vận dụng linh hoạt, hiệu quả Việc có thể thiết kế và chế tạo thành công trong 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 rất nhiều các nhóm nghiên cứu mạnh về lĩnh vực này Trong các hội thảo chuyên đề về công nghệ thông tin và kĩ thuật điện tử hiện đại, việc trao đổi giữa các nhóm đem lại những kết quả rất đáng kinh ngạc cho sự khẳng định này Đề tài luận

án này được thực hiện 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 đòi hỏi 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 dụng các 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 hoạt động 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 khai thác 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

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

Chương 3 trình bày về nội dung chính còn lại của đề tài, là phần chế tạo tuyến thu phát siêu cao tần Trong phần này, kỹ thuật tổ hợp tần số kết hợp với vi điều khiển để tạo ra khối dao động nội cao tần Từ đó phát triển nên máy thu UHF có độ nhạy cao với những thông số kỹ thuật có thể so sánh và vượt trội so với các máy thu hiện có trên thị trường Phần tuyến phát sử dụng kỹ thuật mạch dải và các kỹ thuật cao tần khác đã tạo ra các khối khuếch đại công suất cao tần Những khối này là những 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 đóng góp 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 điều kiện sử dụng của Việt nam

Tính đóng góp ứng dụng thực tiễn của luận án là nội dung nghiên cứu nằm trong Dự án của Bộ Quốc phòng do Quân chủng Phòng không Không quân chủ trì năm 2003-2006: “Cải tiến số hóa rađa bắt thấp P15”, triển khai tại Viện Phòng không Không quân Với nội dung phần thu thập, xử lý tự động, cải tiến hệ thống thu, 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 thành công trong môi trường phòng thí nghiệm, sẽ giới thiệu đưa vào các đơn vị để kiểm tra và khai thác hoạt động Từ đó những phản hồi thực tế sẽ giúp cho hệ thống xử lý tín 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

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:

2

t c

R 

(1.1) Tiếp 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

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

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



v

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

ăng-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 đồng với 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 bày dưới 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 rất phong phú và đa dạng Các bộ biến đổi A/D, D/A là ranh giới biên của thế giới tín hiệu tương tự với thế giới tín hiệu số, sẽ cần được triển khai và khai thác để có thể thực 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 kỹ thuật 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 hiệu rađa rất lớn Băng thông tức thời cho một xung đơn thường cỡ vài MHz, trong các rađa độ phân giải cao, có thể lên tới vài trăm MHz, thậm chí 1 GHz Điều này là một trở ngại lớn cho các khâu xử lý DSP Đây cũng xem là một trong những trở ngại 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

cũng là một ưu việt của các rađa hiện đại xử lí số Trong nghiên cứu của luận án đã đưa 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 khối thu 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 ra của khối xử lý sẽ có thể có nhiều dạng khác nhau, phụ thuộc vào yêu cầu mục đích của rađa Ví dụ, với rađa bám, đầu ra là dòng dữ liệu về sự phát hiện, kèm theo là các 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 thời gian cách biệt Loại magnetron này có nhược điểm là không linh động, tạp nhiễu lớn Như tên gọi, đây là loại không tương quan, xung sau phát ra có pha khác với pha 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 điều chế từ các loại mã, dạng sóng từ bộ tạo dạng sóng Các xung phát ra từ khối khuếch đại công suất có mức công suất thấp, sau đó được thiết kế tại đầu ra sao

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 hiện nay 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 là hoạt động trong dải tần rộng, dễ điều chỉnh tần số Nhược điểm của nó là không thể cấp được công suất đỉnh xung lớn, nên nó sẽ phát đi các xung rộng để đảm bảo công suất phát trung bình Vì thế, trong các hệ này thường cần khâu nén xung ở bên thu

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 tầng khuếch đại công suất tuy thấp, nhưng thông qua các bộ cộng có thể đạt được công suất yêu cầu Các kỹ thuật cao tần như mạch dải, mạch vi dải cho các phối hợp trở kháng cũng rất phù hợp cho các transistor bán dẫn loại này Tóm lại, trong các hệ rađa hiện đại tính năng cao, có rất nhiều lý do, cả về mặt kỹ thuật lẫn về xu thế, để lựa 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 hệ thống làm cho rađa càng trở nên mạnh và linh động, kích thước và giá thành chế tạo lại 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 và giá 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 có nhiều 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

tăng tính năng, hoạt động, nâng cao tính ổn định, giảm thiểu giá thành, kích thước của rađa, rút ngắn thời gian lấy mẫu hoặc xử lý tín hiệu, lưu trữ và truyền 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 toán hiện đại hóa các đài rađa thế hệ cũ phát tín hiệu xung đơn với công suất đỉnh xung lớn và tần số cao phát ra không ổn định, làm ảnh hưởng đến các thuật toán lọc cho mục tiêu di động Trong đề cập đầu chương, một trong những thông số quan trọng cần tìm hiểu của mục tiêu di động là tốc độ Muốn có tính toán chính xác, đòi hỏi tần 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 như thế vẫn đảm bảo được cự ly phát hiện trong phương trình rađa Khi làm giảm công suất đỉnh xung cho phép sử dụng các bóng bán dẫn thay cho các đèn Manhetron và các 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 trở kháng 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 quá trình 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 quan trọng vào việc cải tiến nên các hệ thống rađa hiện đại

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 trong rất 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, quyết định 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 quyết định này Thứ nhất, đây là một loại mã rađa truyền thống Thứ hai, chúng ta đã nghiên cứu đề cập đến khả năng sử dụng kĩ thuật nén xung xử lí tín hiệu để nâng cao 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

(auto-correlation) có một đỉnh chính có độ dài bằng độ dài mã N, còn các đỉnh phụ có giá

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

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 chính xung 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 tín hiệu 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 được thiết 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

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 Ở kênh 1 là hình ảnh của mã Barker 13 bít Ở đây để mô phỏng, mã được phát như sau: Trong một khoảng thời gian lặp lại xung 156 xung nhịp thì phát ra một mã Barker 13 bít có giá trị: {11111-1-111-11-11}

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 mã nhƣ 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 Ở đây 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

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

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

Một tín hiệu LFM được biểu diễn:

2 0

)(Re

1)

LFM t ct t e s

22

)(

t ct

Trong đó, A(t)- biên độ tín hiệu, f 0 - tần số trung tâm,  = (2B)/ - 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 mềm Goldwave và tận dụng khả năng xử lý tín hiệu số của máy tính số và card âm thanh trong máy tính để đưa ra các dạng tín hiệu này Các kết quả trình bày dưới đây:

Hình 2.5 Mô phỏng Matlab tín hiệu và phổ tần LFM

Sử dụng Goldwave v5.14, chúng ta có thể tận dụng chức năng xử lí tín hiệu số trong máy tính để thực hiện bất cứ yêu cầu nào về tín hiệu số Ngoài ra, có thể tận dụng card âm thanh với tần số giới hạn 44.1 kHz để đƣa tín hiệu ra bên ngoài Đây cũng là một hạn chế lớn về mặt tần số của tín hiệu, tuy nhiên, hoàn toàn đáp ứng cho 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 

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 âm thanh, 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

tử khác 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, khả năng nạp các chương trình phần mềm xử lí Ta hình dung một mạch điện với rất nhiều linh kiện và dây dẫn phức tạp, tất cả chỉ cần thực hiện trên một con IC vi điều khiển

Như cũng đã đề cập, đây cũng là một trong các đóng góp của luận án, sử dụng loại 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 hãng MicroChip 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

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 bản mạch 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 Hình 2.10, 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 gắng phát 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 trễ nên 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 2.12 Mã Barker 13 bít {1111100110101}, (a) độ rộng 0,8 µs, (b) 3.2 µs

Ngoài ra, Hình 2.13 là sự co hẹp thang thời gian của dao động kí để thay được chu kì lặp lại xung là 1 ms, hay nói cách khác, tần số lặp lại xung là 1 kHz

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 phát chính thức của rađa xung Sóng dùng để điều chế là sóng trung tần có tần số 10MHz

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 mã được tạo trong Hình 2.3, sẽ thu được tín hiệu BPSK trong Hình 2.16

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

Sơ đồ nguyên lý được thiết kế chỉ ra trong Hình 2.17

Khóa dịch pha

RA0/AN0 2

RA1/AN1 3

4

RA2/AN2/VREF-RA3/AN3/VREF+

5 RA4/T0CKI 6

RA5/AN4/SS 7

RB0/INT 33

RB1 34 RB2 35 RB3/PGM 36

RB4 37 RB5 38 RB6/PGC 39

RB7/PGD 40

RC0/T1OSO/T1CKI 15RC1/T1OSI/CCP2 16RC2/CCP1 17RC3/SCK/SCL 18RC4/SDI/SDA 23RC5/SDO 24RC6/TX/CK 25RC7/RX/DT 26RD0/PSP0 19RD1/PSP1 20RD2/PSP2 21RD3/PSP3 22RD4/PSP4 27RD5/PSP5 28RD6/PSP6 29RD7/PSP7 30RE0/RD/AN5 8RE1/WR/AN6 9RE2/CS/AN7 10VSS

12 VSS 31

MCLR/VPP 1

OSC1/CLKIN 13

OSC2/CLKOUT 14

Y3 4

Y1 5

EN 6

GND 8

X0 12 B

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

Sơ đồ khối của IC hợp kênh tương tự HEF4052B được chỉ ra trong Hình 2.18

Hình 2.18 Sơ đồ khối của HEF4052B

Nguyên lý hoạt động của mạch điều chế BPSK

Hình 2.19 đƣa ra dạng tín hiệu điều chế BPSK Nhƣ trong hình ta thấy, tín hiệu sau khi điều chế mã pha là sự kết hợp của ba tín hiệu sóng mang là:

- Tín hiệu sóng mang có pha bằng 0° (có bít 1 )

- Tín hiệu sóng mang có pha bằng 180° (có bít 0)

- Tín hiệu sóng mang có biên độ bằng 0 (khoảng thời gian không phát xung trong rađa xung, không có mã điều chế)

Hình 2.19 Tín hiệu điều chế mã pha nhị phân

Sơ đồ nguyên lý của việc trộn 3 tín hiệu dùng VĐK chỉ ra trong Hình 2.20