Chương 3 Phân tích bộ thu định vị toàn cầu GPS
3.3 Kiến trúc chung của bộ thu GPS
Máy thu GPS là một phần quan trọng trong phân hệ sử dụng. Qua máy thu, các tín hiệu vệ tinh sẽ được biến đổi thành dữ liệu mang các thông tin về vị trí, vận tốc, và thời gian. Bộ thu GPS được sử dụng cho rất nhiều mục đích ứng dụng như định vị, dẫn đường, phân phối thời gian, tần số, và rất nhiều nghiên cứu.
Một bộ thu GPS bao gồm các khối cơ bản như sơ đồ hình 3.9. Theo đó, tín hiệu GPS trong không gian được anten thu, qua một tiếp đầu RF, một bộ biến đổi ADC, tới khối dò sóng (Acquisition), sau đó cho qua một bộ tương quan, tín hiệu sau đó có thể được dùng cho xử lý định vị. Đối với máy thu GPS phần cứng truyền thống, chỉ có xử lý định vị được thực hiện trên các mạch khả trình, còn các khối trước đó hoàn toàn dựa vào các module phần cứng không thể thay đổi. Trong khi với máy thu phần mềm, các quá trình từ dò sóng tới xử lý đều dựa trên cách định nghĩa bằng phần mềm. Dựa vào điểm này mà máy thu phần mềm có tính linh hoạt cao hơn nhiều so với máy thu truyền thống. Tiếp theo chúng ta sẽ xem xét lần lượt các khối trong kiến trúc máy thu GPS phần mềm.
Hình 3.12. Sơ đồ kiến trúc bộ thu GPS truyền thống và bộ thu phần mềm.
3.3.1. Anten và tiếp đầu ngoại vi
Tín hiệu GPS sau khi được truyền qua không gian sẽ tạo ra một điện áp trong các phần tử. Điện áp này rất yếu, tương ứng với một công suất tín hiệu 160 dBW đối với hệ thống GPS, một tần số sóng mang 1575.42 MHz, và băng thông 2 MHz.
Thực tế, công suất tín hiệu GPS nhận được thấp hơn công suất sàn của tạp âm nhiệt, và tín hiệu thu được ở một tần số quá cao so với sự hoạt động của hầu hết các bộ biến đổi tương tự sang số (ADC). Để khắc phục tình trạng này, chúng ta cần một tiếp đầu ngoại vi. Một tiếp đầu cho tín hiệu GPS ở băng tần L1 với các chức năng hoàn chỉnh được mô tả trên hình 3.10. [1]
Tiếp đầu RF
ADC Dò
sóng
Tương quan
Tính toán vị
Phần cứng
Phần cứng Phần mềm Máy thu
truyền
Máy thu
phần mềm
Ante
Hình 3.13. Tiếp đầu ngoại vi trong bộ thu GPS.
Các anten thường không được coi là một phần trong thiết kế tiếp đầu, nhưng vì nó là thành phần đầu tiên trong đường dẫn tín hiệu nên nó rất quan trọng khi chúng ta tóm tắt sự mô tả các tiếp đầu GPS. Các anten sẽ được thiết kế để tạo ra một điện áp từ các sóng vô tuyến truyền trên băng tần L1 (1575.42MHz). Ngoài ra, việc thiết kế còn phải phù hợp với băng thông của tín hiệu mong muốn. Điều này thường được thực hiện bằng cách sử dụng hai thông số anten bổ sung: hệ số sóng đứng theo điện áp (VSRW-Voltage Standing Wave Ratio) và trở kháng. VSRW thường là 2.0:1, tương đương với sự hấp thụ năng lượng 90% trên băng thông của tần số mong muốn. Và, một trở kháng Z=50, là điển hình cho phần lớn các thiết kế tần số vô tuyến. Không chỉ vậy, một anten GPS còn phải được phân cực RHCP cho phù hợp với tín hiệu thu được. Và chúng ta sẽ sử dụng anten đẳng hướng để có thể thu được tín hiệu GPS từ mọi hướng.
Thành phần đầu tiên trong phần RF là một bộ lọc, chỉ cho phép các tần số trung tâm đi qua và làm suy giảm các thành phần tần số khác. Các anten đặc thù có tính chọn lọc tần số tương đối kém. Do đó cần cố gắng loại bỏ bất kì một nguồn tín hiệu công suất cao nằm ngoài dải thông nào xâm nhập vào các thành phần tiếp đầu và
thành phần đầu tiên ngay sau anten. Các thông số mô tả đặc tính của một bộ lọc bao gồm tổn hao xen giữa, hoặc sự suy giảm của các thành phần tần số mong muốn, và băng thông của bộ lọc (thường là 3dB). Mục đích của việc thiết kế bộ lọc là cung cấp sự chuyển đổi rõ ràng giữa các tần số mong muốn (dải thông bộ lọc) và các tần số không mong muốn (tần số cắt) trong khi phải duy trì sự tổn hao xen giữa ở mức tối thiểu. Phụ thuộc vào việc thực hiện thực tế của các bộ lọc (bao gồm: phần tử cộng hưởng, sóng âm bề mặt (SAW), các phần tử gốm hoặc các phần tử tập trung (điện trở, tụ điện, và bộ lọc), chuyển đổi này có thể được thực hiện bằng cách tăng số lượng các khối hoặc các phần tử trong thiết kế.
Tiếp theo bộ lọc sẽ là một bộ khuếch đại nhằm làm tăng tín hiệu yếu lên một mức thích hợp để thực hiện biến đổi ADC. Do đó, số lượng các bộ khuếch đại phụ thuộc vào đặc tính của bộ ADC. Ngoài việc làm tăng biên độ tín hiệu các bộ khuếch đại còn thêm nhiễu vào tín hiệu đầu ra. Tất nhiên, mục đích của chúng ta là có một thành phần có khả năng khuếch đại tín hiệu mà nhiễu thêm vào ở mức tối thiểu. Các thông số cơ bản mô tả đặc tính của một bộ khuếch đại là:
• Độ khuếch đại. Thường có đơn vị dB, và là đại lượng không thay đổi.
• Dải tần quy định.
• Mô hình nhiễu. Thường có đơn vị dB, và biểu thị số lượng nhiễu sẽ thêm vào tín hiệu được khuếch đại.
Hình 3.10 mô tả một bộ khuếch đại riêng lẻ với độ khuếch đại 50 dB, để xây dựng được một bộ khuếch đại tương đương, chúng ta sẽ sử dụng các tầng khuếch đại.
Sau khi khuếch đại công suất tín hiệu, chúng ta sẽ chuyển đổi tín hiệu sóng mang đầu vào RF 1575.42 MHz thành tín hiệu tần số trung gian thấp hơn (IF) mà vẫn duy trì được cấu trúc tín hiệu đã điều chế, để được dải tần số có thể sử dụng được. Để thực hiện điều này chúng ta sử dụng kết hợp một bộ trộn với một bộ dao động nội.
- Trong hình 3.10, bộ dao động nội là sự kết hợp của các thành phần đặc trưng:
một bộ dao động thạch anh (tạo tần số dao động ổn định) và một vòng khóa pha (PLL) (tạo tần số dao động mong muốn). Ngoài việc tạo ra tần số dao động mong muốn, bộ dao động nội còn được sử dụng như một đồng hồ lấy mẫu.
- Bộ trộn hoạt động thông qua các phép đồng nhất lượng giác:
1 2 1 2 1 2
1 1
os( ) os( ) os(( ) ) os(( ) )
2 2
c ωt c ω t = c ω ω− t + c ω ω+ t (3.14)
Trong đó, ω1 là tần số trung tâm của tín hiệu GPS băng tần L1, 1575.42 MHz, và tần số IF đầu ra mong muốn là 47.74 MHz, suy ra tần số của bộ dao động nội ω2 = (1575.42 − 47.74)MHz = 1527.68MHz. Sự điều biến, giống như các mã trải phổ và dữ liệu định vị, có thể được đơn giản hóa thành một bộ nhân biến thiên theo thời gian:
1 2 1 2 1 2
( ) ( )
( ) os( ) os( ) os(( ) ) os(( ) )
2 2
d t d t
d t c ωt c ω t = c ω ω− t + c ω ω+ t (3.15)
Trong trường hợp này, đầu ra của bộ trộn là các tần số tổng hoặc hiệu. Nhưng chúng ta chỉ cần tần số hiệu - tần số IF, do đó, một bộ lọc là cần thiết. Trong hình 3.10, chúng ta sử dụng một bộ lọc thông dải, để tối giản hóa bất kì biến cố nào xuất hiện từ các kết quả biến điệu tương hỗ của quá trình trộn.
Thành phần cuối cùng trong một tiếp đầu ngoại vi là bộ ADC. Thiết bị này sẽ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành các mẫu số. Các thông số chính cần lưu ý đối với một bộ ADC là: số lượng bit, tần số lấy mẫu tối đa, băng thông và dải tín hiệu tương tự đầu vào.
Tóm lại, chúng ta đã nghiên cứu sơ đồ khối tổng quát của một tiếp đầu GPS, bao gồm một anten, bộ lọc, bộ khuếch đại, bộ trộn và bộ ADC. Sau đây chúng ta sẽ tìm