Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu nâng cao chất lượng hiệu chuẩn nội thời gian thực kênh thu trong các hệ thống vô tuyến sử dụng ăng ten mảng pha số

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:146

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu nâng cao chất lượng hiệu chuẩn nội thời gian thực kênh thu trong các hệ thống vô tuyến sử dụng ăng ten mảng pha số" trình bày tổng quan về hệ thống AMPS và bài toán hiệu chuẩn; Hiệu chuẩn nội thời gian thực kênh thu hệ thống AMPS bằng tín hiệu hiệu chuẩn đa điều chế; Cải thiện hiệu quả hiệu chuẩn nội thời gian thực bằng tập tín hiệu hiệu chuẩn giả trực giao; Tổng hợp các thuật toán và chu trình hiệu chuẩn nội thời gian thực kênh thu hệ thống AMPS.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu nâng cao chất lượng hiệu chuẩn nội thời gian thực kênh thu trong các hệ thống vô tuyến sử dụng ăng ten mảng pha số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ TRẦN VIỆT HÙNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HIỆU CHUẨN NỘI THỜI GIAN THỰC KÊNH THU TRONG CÁC HỆ THỐNG VÔ TUYẾN SỬ DỤNG ĂNG TEN MẢNG PHA SỐ LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - NĂM 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ TRẦN VIỆT HÙNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HIỆU CHUẨN NỘI THỜI GIAN THỰC KÊNH THU TRONG CÁC HỆ THỐNG VÔ TUYẾN SỬ DỤNG ĂNG TEN MẢNG PHA SỐ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 9 52 02 03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN PHÙNG BẢO TS TRỊNH ĐÌNH CƯỜNG HÀ NỘI - NĂM 2022 ii
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Các số liệu, chương trình, kết quả nêu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ theo đúng quy định. Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2022 Tác giả Trần Việt Hùng iii
LỜI CẢM ƠN Để thực hiện được đề tài nghiên cứu này, tôi muốn bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới hai thầy hướng dẫn: TS Nguyễn Phùng Bảo và TS Trịnh Đình Cường đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình chuẩn bị các nội dung nghiên cứu, định hướng giải quyết vấn đề, tài liệu nghiên cứu, phương pháp làm việc khoa học, phát triển và hoàn thiện luận án. Tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn tới các thầy, các đồng nghiệp thuộc Viện Tích hợp Hệ thống, Khoa Vô tuyến Điện tử, cùng tập thể cán bộ Phòng Sau đại học/Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo điều kiện thuận lợi, góp ý, động viên, hợp tác và nhiệt tình hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi luôn mong đợi và cảm ơn những đóng góp ý kiến của các thầy và các bạn đồng nghiệp. Tôi xin tiếp tục cập nhật, sửa chữa và bổ sung để tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu của luận án.
MỤC LỤC MỤC LỤC ......................................................................................................... i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................... iv DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................. v DANH MỤC BẢNG ..................................................................................... viii MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 Chương 1 .......................................................................................................... 9 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG AMPS VÀ BÀI TOÁN HIỆU CHUẨN .. 9 1.1. Tổng quan về hệ thống AMPS ............................................................... 9 1.1.1. Những vấn đề chung ....................................................................... 9 1.1.2. Phương pháp hình thành GĐH thu số ........................................... 12 1.2. Những nguồn gây sai số và các phương pháp hiệu chuẩn cơ bản ....... 14 1.2.1. Tổng hợp những nguồn gây sai số trong hiệu chuẩn .................... 14 1.2.2. Ảnh hưởng của sai số đến hình thành GĐH ................................. 15 1.2.3. Các phương pháp hiệu chuẩn cơ bản ............................................ 18 1.2.4. Nhận xét ........................................................................................ 22 1.3. Hiệu chuẩn trong các hệ thống AMPS................................................. 24 1.3.1. Đặc điểm hiệu chuẩn trong các hệ thống AMPS .......................... 24 1.3.2. Hiệu chuẩn nội TGT trong các hệ thống AMPS........................... 26 1.3.3. Nhận xét ........................................................................................ 34 1.4. Đề xuất giải pháp hiệu chuẩn nội theo TGT ........................................ 35 1.5. Kết luận chương ................................................................................... 36 Chương 2 ........................................................................................................ 37 HIỆU CHUẨN NỘI THỜI GIAN THỰC KÊNH THU HỆ THỐNG AMPS BẰNG TÍN HIỆU HIỆU CHUẨN ĐA ĐIỀU CHẾ ....................... 37 2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống AMPS tích hợp hệ con hiệu chuẩn ............... 37 2.2. Giải pháp sử dụng THHC đa điều chế trong mỗi kênh thu ................. 40 i
2.3. Ước lượng sai số đo và ảnh hưởng của THHC đến tín hiệu thu .......... 45 2.3.1. Ước lượng sai số đo ...................................................................... 45 2.3.2. Phân tích ảnh hưởng của THHC đến tín hiệu thu ......................... 49 2.4. Kiểm chứng đề xuất qua mô phỏng ..................................................... 52 2.4.1. Kiểm chứng sai số hiệu chuẩn ...................................................... 52 2.4.2. Đánh giá ảnh hưởng của THHC đến chất lượng tín hiệu thu ....... 56 2.5. Đánh giá khả năng ứng dụng của giải pháp đề xuất ............................ 58 2.6. Đánh giá kết quả đạt được với các công trình đã công bố ................... 59 2.7. Kết luận chương ................................................................................... 62 Chương 3 ........................................................................................................ 64 CẢI THIỆN HIỆU QUẢ HIỆU CHUẨN NỘI THỜI GIAN THỰC BẰNG TẬP TÍN HIỆU HIỆU CHUẨN GIẢ TRỰC GIAO ..................... 64 3.1. Giải pháp giảm ảnh hưởng của THHC lên tín hiệu thu ....................... 64 3.1.1. Đặt vấn đề ..................................................................................... 64 3.1.2. Đề xuất giải pháp tạo tập THHC giả trực giao ............................. 68 3.1.3. Ước lượng công suất nhiễu PBSS và kiểm chứng bằng mô phỏng. 71 3.1.4. Nhận xét ........................................................................................ 74 3.2. Giải pháp giảm ảnh hưởng của nhiễu rò trong hiệu chuẩn nội ............ 74 3.2.1. Đặt vấn đề ..................................................................................... 74 3.2.2. Hiện tượng rò tín hiệu và đề xuất giải pháp khắc phục ................ 75 3.2.3 Kiểm chứng qua mô phỏng ............................................................ 79 3.2.4. Nhận xét ........................................................................................ 81 3.3. Kết luận chương ................................................................................... 81 Chương 4 ........................................................................................................ 83 TỔNG HỢP CÁC THUẬT TOÁN VÀ CHU TRÌNH HIỆU CHUẨN NỘI THỜI GIAN THỰC KÊNH THU HỆ THỐNG AMPS ............................ 83 4.1. Tổng hợp thuật toán ước lượng tham số đo và chu trình hiệu chuẩn .. 83 ii
4.1.1. Thuật toán ước lượng tham số đo ................................................. 84 4.1.2. Xây dựng các chu trình hiệu chuẩn............................................... 87 4.1.3. Nhận xét ........................................................................................ 93 4.2. Thực nghiệm các nội dung nghiên cứu đã đề xuất .............................. 95 4.2.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm ................................................... 95 4.2.2. Thực hiện các chu trình hiệu chuẩn .............................................. 97 4.2.3. Đánh giá ảnh hưởng của THHC ................................................. 102 4.3. Kết luận chương ................................................................................. 104 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ........................ 105 PHỤ LỤC ..................................................................................................... 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ................................ 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 125 iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa của từ Bộ chuyển đổi tương tự - số (Analog-to- ADC Digital Converter) AMP Ăng ten mảng pha AMPS Ăng ten mảng pha số BPSK Mã dịch pha nhị phân (Binary Phase Shift Keying) BSS Búp sóng số DDC Bộ giải điều chế số (Digital down converter) DDS Bộ tổ hợp tần số trực tiếp (Direct Digital Synthesizer) FFT Bộ biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier transform) Bộ lọc có đáp ứng xung hữu hạn (Finite Impulse FIR Response) FPGA Mảng lập trình được (Field-Programmable Gate Array) GĐH Giản đồ hướng IF Tín hiệu trung tần (Intermediate Frequency) LO Dao động ngoại sai (Local oscillator) MĐTP Mô-đun thu phát OOK Mã dịch biên độ nhị phân (On/Off Keying) RF Dao động cao tần (Radio Frequency) SNR Tỷ số tín/tạp (Signal-to-noise ratio) TGT Thời gian thực THHC Tín hiệu hiệu chuẩn VTĐT Vô tuyến điện tử iv
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu trúc mảng pha thụ động (a) và mảng pha tích cực (b)........ 10 Hình 1.2. Cấu trúc AMPS mức phân mảng (a) và mức phần tử (b) .......... 11 Hình 1.3. Mảng pha tuyến tính N kênh thu................................................ 12 Hình 1.4. GĐH ở các góc   0 o ,20 o ,50 o ................................................. 13 Hình 1.5. Minh họa sai số biên độ ............................................................. 16 Hình 1.6. Minh họa sai số pha ................................................................... 17 Hình 1.7. Minh họa sai số pha và biên độ.................................................. 17 Hình 1.8. Mô hình kỹ thuật hiệu chuẩn quét đầu dò trường gần ............... 19 Hình 1.9. Mô hình kỹ thuật phương pháp hiệu chuẩn đặt đầu dò cố định. 20 Hình 1.10. Mô hình kỹ thuật của phương pháp đường hiệu chuẩn ........... 21 Hình 1.11. Mô hình kỹ thuật hiệu chuẩn theo phương pháp MCM .......... 22 Hình 1.12. Sự phụ thuộc tham số mô-đun khi nhiệt độ tăng [5] ............... 31 Hình 1.13. Sự phụ thuộc hệ số khuếch đại theo tần số và nhiệt độ [28] ... 31 Hình 1.14. Buồng thử nhiệt cho các MĐTP [28] ....................................... 32 Hình 2.1. Cấu trúc cơ bản của hệ thống AMPS ......................................... 38 Hình 2.2. MĐTP với đường đi các tín hiệu trong chế độ thu – hiệu chuẩn....... 39 Hình 2.3. Sơ đồ khối đo và hiệu chuẩn một kênh thu ................................ 41 Hình 2.4. Minh họa THHC đưa vào tuyến thu .......................................... 42 Hình 2.5. Minh họa mẫu THHC bị loại khi tín hiệu thu lớn ..................... 43 Hình 2.6. Các bước đo và hiệu chỉnh kênh thu .......................................... 44 Hình 2.7. Minh họa tín hiệu kênh thu gồm ba loại tín hiệu ....................... 45 Hình 2.8. Sai số biên độ theo công suất P( S NTH ) và số mẫu N ................ 47 Hình 2.9. Sai số pha theo công suất P( S NTH ) và số mẫu N ...................... 48 Hình 2.10. Hàm mật độ xác suất nhiễu khi có và không có THHC .......... 50 Hình 2.11. Tỷ lệ RMaxHC / RMax theo độ trống M ....................................... 51 v
Hình 2.12. Sai số biên độ mô phỏng theo công suất P( S NTH ) và số mẫu N ......................................................................................................................... 53 Hình 2.13. Sai số pha mô phỏng theo công suất P( S NTH ) và số mẫu N ... 53 Hình 2.14. Các kênh thu trước và sau khi hiệu chuẩn ............................... 54 Hình 2.15. Các kênh thu trước và sau khi hiệu chuẩn được phóng to ....... 55 Hình 2.16. Sai số pha và biên độ sau hiệu chuẩn....................................... 56 Hình 2.17. Minh họa các loại tín hiệu trong kênh thu ............................... 56 Hình 2.18. Tín hiệu sau lọc nén ................................................................. 57 Hình 2.19. Tỷ số SNR và sự suy giảm SNR khi có THHC ....................... 57 Hình 3.1. THHC ở đầu vào và đầu ra BSS (a) Theo đề xuất, b) Theo [34]) ......................................................................................................................... 66 Hình 3.2. Các mạng phân phối tín hiệu ..................................................... 69 Hình 3.3. THHC trong mỗi kênh thu khác mã OOK và sau bộ BSS......... 70 Hình 3.4. Công suất nhiễu sau BSS ........................................................... 71 Hình 3.5. Lược đồ và thuật toán mô phỏng tính toán hệ số PBSS .............. 72 Hình 3.6. Mức tăng công suất nhiễu theo K và D...................................... 73 Hình 3.7. Sai số pha và biên độ do nhiễu rò gây ra ................................... 75 Hình 3.8. Đường đi THHC và nhiễu rò trong chế độ thu – hiệu chuẩn..... 76 Hình 3.9. Mạng phân phối tín hiệu RF ...................................................... 77 Hình 3.10. Cách kết nối ghép cặp hai MĐTP trong hiệu chuẩn thu .......... 77 Hình 3.11. Minh họa hai mã OOK khác nhau ........................................... 78 Hình 3.12. Hệ số tương quan của hai tín hiệu có mã OOK khác nhau ...... 79 Hình 3.13. Sơ đồ kiểm chứng sai số do nhiễu rò gây ra ............................ 80 Hình 3.14. Sai số pha và biên độ theo giải pháp đề xuất với D = 1/32 ..... 81 Hình 4.1. Sơ đồ chức năng khối “Đo và hiệu chuẩn” mỗi kênh thu.......... 83 Hình 4.2. Minh họa THHC sau DDC đồng bộ với mã BPSK và OOK..... 84 Hình 4.3. Sơ đồ khối mô-đun “Ước lượng tham số đo” ............................ 84 vi
Hình 4.4. Nguyên lý làm việc “Bộ đệm và tích lũy N xung” .................... 85 Hình 4.5. Nguyên lý mô-đun “Phát hiện tín hiệu thu lớn” ........................ 85 Hình 4.6. Minh họa tín hiệu trong mô-đun “Phát hiện tín hiệu thu lớn” ... 86 Hình 4.7. Sơ đồ chức năng chi tiết mô đun “Ước lượng tham số đo” ....... 86 Hình 4.8. Lược đồ thuật toán của mô-đun Ước lượng tham số đo ............ 87 Hình 4.9. Sơ đồ kết nối của một số thành phần chính trong hiệu chuẩn ... 88 Hình 4.10. Sơ đồ kết nối khi hiệu chuẩn tĩnh ............................................ 89 Hình 4.11. Lược đồ thuật toán tổng quát chu trình hiệu chuẩn tĩnh .......... 91 Hình 4.12. Sơ đồ kết nối khi hiệu chuẩn động........................................... 91 Hình 4.13. Lược đồ thuật toán chu trình hiệu chuẩn động ........................ 93 Hình 4.14. Sơ đồ tích lũy mẫu THHC (a) theo đề xuất , b) theo [34]) ...... 94 Hình 4.15. Sơ đồ khối hệ thống AMPS thử nghiệm .................................. 95 Hình 4.16. Hệ thống AMPS 4 kênh được lắp ráp hoàn chỉnh ................... 96 Hình 4.17. Sơ đồ kết nối thực hiện chu trình hiệu chuẩn tĩnh ................... 97 Hình 4.18. Sơ đồ kết nối thử nghiệm chu trình hiệu chuẩn động .............. 99 Hình 4.19. Hình ảnh hệ thống khi thử nghiệm ........................................ 100 Hình 4.20. Tín hiệu bốn kênh trước và sau khi hiệu chuẩn ..................... 101 Hình 4.21. Sai số pha và biên độ sau hiệu chuẩn..................................... 101 Hình 4.22. GĐH thu theo một số góc a) Mô phỏng, b) Thực nghiệm..... 102 Hình 4.23. Nội tạp các kênh thu............................................................... 103 Hình 4.24. Mật độ phân bố của nhiễu tạp ................................................ 103 vii
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Các nguồn gây sai lệch trong mảng pha .................................... 14 Bảng 2.1. Tính toán các tham số hiệu chuẩn ............................................. 52 Bảng 2.2. Yêu cầu sai số GĐH của một số hệ thống ................................. 58 Bảng 2.3. Một số điểm khác nhau giữa giải pháp đề xuất với giải pháp phân chia theo tần số ....................................................................................... 60 Bảng 3.1. Mức tăng công suất nhiễu và sự suy giảm cự ly ra đa .............. 67 Bảng 3.2. Bảng so sánh và đánh giá tính khả thi của đề xuất .................... 73 Bảng 4.1. Bảng so sánh tài nguyên số để tích lũy mẫu THHC.................. 94 Bảng 4.2. Đo tham số F1rk ( k 24) .................................................................. 97 Bảng 4.3. Đo tham số K1rk ( k 24) ................................................................. 98 Bảng 4.4. Đo tham số K1k ( k 24) ................................................................. 98 viii
MỞ ĐẦU Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học - kỹ thuật và công nghệ, những yêu cầu và nhiệm vụ đối với các trang thiết bị điện tử, vô tuyến điện tử ngày càng cao và đa dạng. Từ đó, dẫn tới nhu cầu cần thiết phải xây dựng, hình thành lớp các hệ thống có khả năng đồng thời thực hiện nhiều chức năng, nhiệm vụ trong các tình huống không gian tác chiến biến đổi nhanh chóng. Đối với các hệ thống vô tuyến điện tử (VTĐT) như ra đa, thông tin và tác chiến điện tử cũng hoàn toàn như vậy. Trước đây, các hệ thống VTĐT này thường chỉ thực hiện những nhiệm vụ đơn lẻ, riêng biệt; còn ngày nay, chúng có thể được cấu hình để thực hiện đồng thời nhiều nhiệm vụ của ra đa, thông tin và tác chiến điện tử như phát hiện và theo dõi mục tiêu, chỉ thị mục tiêu, điều khiển hỏa lực, trinh sát, gây nhiễu và truyền thông tin [1, 2]. Chính vì vậy, trong khoảng hai thập kỷ trở lại đây, đã xuất hiện khái niệm hệ thống VTĐT đa chức năng. Để hệ thống VTĐT có tính đa chức năng, thì yêu cầu quan trọng nhất là nó phải có khả năng thay đổi mềm dẻo về hình dạng và vị trí không gian của giản đồ hướng (GĐH) một cách nhanh chóng và chính xác theo thời gian thực đối với mỗi chế độ làm việc [3]. Với hệ thống VTĐT sử dụng ăng ten mảng pha số (AMPS), việc hình thành GĐH, xử lý tín hiệu được thực hiện hoàn toàn trên miền số, đã đáp ứng được các yêu cầu trên (gọi tắt là hệ thống AMPS). Như đã biết, hình dạng và vị trí không gian của GĐH phụ thuộc vào phân bố trường điện từ trên mặt mở ăng ten hay chính xác là mối quan hệ pha và biên độ của các chấn tử phát xạ [4]. Hệ thống AMPS được hình thành trên cơ sở tích hợp các mô-đun thu/phát (MĐTP) được chế tạo hoàn toàn giống nhau và bố trí theo các quy tắc xác định trên mặt mở ăng ten. Do vậy, chất lượng tín hiệu đầu ra hệ thống phụ thuộc rất lớn vào độ chính xác của việc thiết lập mối quan hệ tham số pha và biên độ của tín hiệu đầu ra từng MĐTP. Khi mối 1
quan hệ này không bảo đảm, dẫn tới GĐH bị sai lệch so với tính toán lý thuyết, từ đó làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng của hệ thống. Do đó, cần phải có giải pháp đo, chẩn đoán và hiệu chỉnh các tham số trên nhằm đảm bảo chúng được duy trì theo yêu cầu đặt ra, đó chính là bài toán “hiệu chuẩn”. Các MĐTP trong các hệ thống AMPS thường có số lượng lớn, có mật độ tích hợp rất cao cả về phần tử thụ động và tích cực. Vì vậy, các tham số pha và biên độ của chúng luôn thay đổi ngay trong quá trình vận hành dưới tác động của các yếu tố như sự già hóa của linh kiện, nhiệt độ và môi trường làm việc [5]. Trong hệ thống AMPS, hình dạng và vị trí không gian của GĐH thay đổi nhanh chóng theo thời gian thực với các chế độ làm việc khác nhau. Với yêu cầu duy trì hệ thống làm việc ở hiệu suất cao, quá trình hiệu chuẩn cần có độ chính xác cao và thực hiện liên tục trong khi hệ thống làm việc [16]. Do đó, bài toán hiệu chuẩn mang tính định kỳ [6-15] không còn phù hợp. Hiệu chuẩn phải đảm bảo thực hiện trên tất cả các kênh thu/phát một cách chính xác, kịp thời và tự động ngay trong quá trình hoạt động của hệ thống, mà không gây gián đoạn, cũng như làm ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống [5, 16]. Đó chính là yêu cầu về hiệu chuẩn theo thời gian thực (TGT). Do những ứng dụng có ý nghĩa to lớn của hệ thống AMPS, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ, trong những năm gần đây, nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống AMPS liên tục được công bố. Các công trình này không chỉ phát triển về lý thuyết và kỹ thuật mà cả những định hướng công nghệ phát triển các thế hệ AMPS trong tương lại [17-21]. Trong đó, bài toán hiệu chuẩn đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì tính ổn định của hệ thống, mà chủ yếu tập trung vào việc thiết kế các hệ hiệu chuẩn tích hợp trong thành phần của mảng. Nhiều công trình khoa học đã được công bố [22-29] mà đứng đầu là J.Hoffman tập trung hoàn thiện kỹ thuật và công nghệ cho các MĐTP sử dụng cho các ra đa thế hệ mới SweepSAR, trong đó hệ con 2
hiệu chuẩn theo TGT tích hợp trong từng MĐTP là trọng tâm, qua thử nghiệm cho kết quả tốt. Tài liệu tham khảo [5] với phương pháp hiệu chuẩn nội TGT các kênh thu số của hệ thống truyền thông 5G, được đánh giá cao với những đề xuất mới về mặt xử lý và sai số hiệu chuẩn nhỏ. Ở dải tần HF, tác giả Hung Q. Nguyen cùng các cộng sự đề xuất giải pháp hiệu chuẩn cho đài ra đa TIGER-3 theo TGT với sai số pha đạt được rất nhỏ (0,153o) [30]. Có thể thấy, hiệu chuẩn theo TGT là yêu cầu tất yếu trong các hệ thống AMPS đa chức năng hiện đại. Trong đó, hiệu chuẩn phát đơn giản hơn, cơ bản đã được hoàn thiện trong nhiều tài liệu, còn hiệu chuẩn kênh thu vẫn tiếp tục được nghiên cứu hoàn thiện do có nhiều khó khăn khi thực hiện. Hơn nữa, độ chính xác của hiệu chuẩn thu quyết định nhiều đến chất lượng thông tin đầu ra của hệ thống. Đó cũng là nội dung nghiên cứu của luận án. Qua các tài liệu đã nghiên cứu, có thể nhận thấy rằng, hầu hết các giải pháp hiệu chuẩn TGT được thực hiện bằng cách tích hợp các đường mạch hiệu chuẩn chuyên dụng ngay trong bản thân từng MĐTP và thường được gọi là hiệu chuẩn nội bộ theo phương pháp đường hiệu chuẩn [22, 31, 36]. Ưu điểm của phương pháp này là không mở rộng hệ thống, tận dụng được nguồn tài nguyên của hệ thống làm đầu đo cho hiệu chuẩn, chi phí thấp, thiết lập hiệu chuẩn đơn giản và có độ chính xác cao hơn. Có nhiều giải pháp hiệu chuẩn kênh thu khác nhau đã được nghiên cứu, mà chủ yếu tập trung vào nghiên cứu cấu trúc và tham số tín hiệu hiệu chuẩn (THHC) cùng với thuật toán tương ứng. Trong [5, 22-29] trình bày giải pháp sử dụng THHC có tần số khác với dải tần số của tín hiệu thu. Giải pháp này có ưu điểm là không gây gián đoạn cho hệ thống, dễ lọc tách để giảm nhiễu giữa hai tín hiệu, tuy nhiên quy trình thử nghiệm còn nhiều phức tạp, mất nhiều thời gian thử nghiệm và đo kiểm. Trong [32] đề cập đến hiệu chuẩn hệ thống TerraSAR-X với giải pháp sử dụng các khe thời gian chuyên dụng để hiệu chuẩn, tuy nhiên nó lại 3
làm gián đoạn hệ thống, với hệ thống yêu cầu thu liên tục thì giải pháp này còn hạn chế. Giải pháp sử dụng THHC cùng tần số với tín hiệu thu mà không làm gián đoạn hệ thống đã được đề xuất trong [33-35, 81], giải pháp này khắc phục được nhược điểm của hai giải pháp trên. Để tránh can nhiễu giữa THHC và tín hiệu thu, THHC mã pha với công suất rất nhỏ đã được đề xuất. Điểm hạn chế của giải pháp này là yêu cầu xử lý phức tạp, khó khăn khi điều chỉnh tham số THHC và chiếm nhiều tài nguyên xử lý. Ngoài ra, hiệu chuẩn nội yêu cầu rất cao về khả năng cách ly các tín hiệu có chức năng khác nhau trong bản thân từng MĐTP [24, 27, 28], do vậy yêu cầu việc thiết kế, đóng gói các MĐTP rất phức tạp, mất nhiều thời gian cho quá trình thử nghiệm và hiệu chỉnh thiết kế, nhất là khi chúng có mật độ tích hợp cao, tần số làm việc lớn. Ở trong nước, mặc dù công nghệ mảng pha đã được một số đơn vị nghiên cứu từ hơn 10 năm trở lại đây nhưng những công trình nghiên cứu về bài toán hiệu chuẩn còn chưa nhiều. Sản phẩm đài ra đa bán mảng pha RV được Quân chủng Phòng không - Không quân sản xuất, đã được đưa vào trang bị nhiều năm, nhưng việc hiệu chuẩn chỉ được thực hiện định kỳ khi bảo dưỡng. Hiện nay, một số cơ sở nghiên cứu trong và ngoài quân đội đang triển khai nghiên cứu về công nghệ mảng pha số và cũng chưa có công trình chuyên khảo nào được công bố về bài toán hiệu chuẩn cho các hệ thống AMPS. Đặc biệt là hiệu chuẩn theo TGT. Từ những phân tích trên cho thấy, trong các hệ thống AMPS hiện đại, vấn đề xây dựng hệ hiệu chuẩn vẫn đang là nội dung tiếp tục được nghiên cứu cả về cơ sở lý luận và các phương pháp thực hiện, nhất là hiệu chuẩn kênh thu. Hầu hết các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng: khi các MĐTP có mật độ tích hợp cao thì quy trình chế tạo đòi hỏi cao về mặt kỹ thuật và công nghệ, quy trình đo, hiệu chỉnh phức tạp, cần nhiều thời gian và chi phí lớn. Ở trong nước, việc ứng dụng kỹ thuật AMPS đang ở giai đoạn đầu, chưa có nhiều 4
công trình nghiên cứu về bài toán hiệu chuẩn. Xuất phát từ thực tế đó, việc nghiên cứu mô hình và phương pháp hiệu chuẩn nội theo TGT cho kênh thu của các hệ thống AMPS hiện đại luôn có tính thời sự. Việc nghiên cứu giải pháp hiệu chuẩn với cách thức thực hiện đơn giản, dễ tiếp cận, độ chính xác cao, chi phí hợp lý, thuận lợi trong quá trình thử nghiệm, khai thác, sửa chữa và phù hợp với điều kiện trong nước là rất cần thiết. Chính vì vậy, trong luận án này, nghiên cứu sinh đề xuất nội dung nghiên cứu như sau: “Nghiên cứu nâng cao chất lượng hiệu chuẩn nội thời gian thực kênh thu trong các hệ thống vô tuyến sử dụng ăng ten mảng pha số”. Thông qua luận án này, nghiên cứu sinh mong muốn có được những đóng góp mang tính học thuật và có những thử nghiệm thực tế ban đầu làm cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu, ứng dụng hiệu chuẩn TGT cho các hệ thống AMPS đang được nghiên cứu, thử nghiệm trong nước hiện nay. 1. Mục tiêu nghiên cứu của luận án - Nghiên cứu tầm quan trọng, cơ sở lý thuyết và các giải pháp hiệu chuẩn cơ bản cho các hệ thống ăng ten mảng pha, nhất là hiệu chuẩn theo TGT cho các hệ thống AMPS. - Nghiên cứu ưu điểm và hạn chế của các giải pháp hiệu chuẩn nội theo TGT kênh thu hệ thống AMPS đã được công bố. Từ đó đề xuất các giải pháp để khắc phục các hạn chế trên. - Đề xuất các giải pháp về cấu trúc và tham số của THHC kênh thu, cùng với cách thức phân phối chúng tới từng MĐTP nhằm đảm bảo hiệu chuẩn phân tán có độ chính xác cao, đơn giản trong thực hiện và không gây ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. - Xây dựng thuật toán ước lượng sai số và quy trình hiệu chuẩn, hướng tới sự đơn giản trong thực hiện và tiết kiệm tài nguyên xử lý. Đồng thời kiểm 5
nghiệm các kết quả nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở xây dựng mô hình thực nghiệm với một hệ thống AMPS cỡ nhỏ. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu các mô hình, cấu trúc của các thế hệ thống ăng ten mảng pha, các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống và các phương pháp hiệu chuẩn cơ bản. - Các phương pháp hiệu chuẩn theo TGT kênh thu của các MĐTP trong các hệ thống AMPS. Các giải pháp và thuật toán nhằm đảm bảo chất lượng hiệu chuẩn, không làm gián đoạn và ảnh hướng đến chất lượng hệ thống. 3. Phương pháp nghiên cứu Luận án thực hiện nhiều phương pháp nghiên cứu nhằm đạt được mục tiêu đã đề ra, đó là: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở tổng hợp, phân tích các nghiên cứu đã công bố về các phương pháp hiệu chuẩn nói chung và hiệu chuẩn nội theo TGT nói riêng, để từ đó xây dựng cấu trúc, mô hình phù hợp. - Mô hình hóa hệ thống bằng mô hình toán học phù hợp với mô hình vật lý. Dựa trên mô hình đó, thay đổi và lựa chọn các tham số cho phù hợp để đạt được kết quả mong muốn. - Sử dụng công cụ MatLab để kiểm chứng, đánh giá hiệu quả của các đề xuất. Đồng thời xây dựng mô hình thử nghiệm để hoàn thiện đề xuất khi triển khai vào thực tế, phù hợp với điều kiện trong nước. 4. Những đóng góp mới của luận án Một số đóng góp mới của luận án được tóm tắt như sau: - Đề xuất một dạng tín hiệu hiệu chuẩn mới cho kênh thu của hệ thống vô tuyến sử dụng ăng ten mảng pha số. Tín hiệu hiệu chuẩn (THHC) là tín hiệu giả trực giao, đa điều chế, gồm điều chế pha theo mã BPSK (Binary Phase Shift Keying) và điều chế biên độ theo mã OOK (On/Off Keying), có cùng tần số với tín hiệu thu và có công suất đỉnh tương đương với công suất nội 6
tạp. Với cấu trúc tín hiệu đề xuất, tham số pha và biên độ kênh thu được đo với một độ chính xác cao, trong thời gian thực, ảnh hưởng không đáng kế đến chất lượng tín hiệu thu và giảm yêu cầu phức tạp trong thiết kế hệ thống [CT1-3]. - Tổng hợp các thuật toán và chu trình hiệu chuẩn dựa trên THHC đã đề xuất. Các thuật toán và chu trình được thử nghiệm thực tế trên hệ thống AMPS 4 kênh thu băng L. Kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu quả của các nội dung nghiên cứu lý thuyết có khả năng ứng dụng vào thực tiễn, đáp ứng thiết thực yêu cầu hiệu chuẩn cho một lớp các hệ thống AMPS nhất định [CT4]. 5. Bố cục của luận án Luận án bao gồm phần mở đầu, 4 chương, phần kết luận và định hướng nghiên cứu tiếp theo và phụ lục. Cụ thể gồm: Mở đầu Trình bày tổng quan về lý do chọn hướng nghiên cứu của luận án, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu. Bố cục và tóm tắt nội dung các chương của luận án. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG AMPS VÀ BÀI TOÁN HIỆU CHUẨN Giới thiệu tổng quan về hệ thống AMPS và trình bày các phương pháp hiệu chuẩn cơ bản cho hệ thống ăng ten mảng pha. Trong đó, nội dung chính là phân tích, trình bày đặc điểm, cùng với những ưu điểm và một số hạn chế của các giải pháp hiệu chuẩn nội TGT hệ thống AMPS đã được công bố. Trên cơ sở đó, đề xuất những nội dung nghiên cứu của luận án. Chương 2: HIỆU CHUẨN NỘI THỜI GIAN THỰC KÊNH THU HỆ THỐNG AMPS BẰNG TÍN HIỆU HIỆU CHUẨN ĐA ĐIỀU CHẾ Trình bày giải pháp mới về hiệu chuẩn nội TGT kênh thu cho các hệ thống AMPS. Đó là sử dụng THHC có cấu trúc đa điều chế, tín hiệu được điều chế 7
pha theo mã BPSK và điều biên theo mã OOK. Giải pháp đề xuất để khắc phục một số hạn chế của các giải pháp đã được công bố. Tham số và cấu trúc THHC đề xuất được phân tích, đánh giá tính hiệu quả dựa trên yêu cầu về sai số đo và ảnh hưởng của nó đến chất lượng xử lý tín hiệu thu. Chương 3: CẢI THIỆN HIỆU QUẢ HIỆU CHUẨN NỘI THỜI GIAN THỰC BẰNG TẬP TÍN HIỆU HIỆU CHUẨN GIẢ TRỰC GIAO Trình bày giải pháp đơn giản để tạo tập THHC đa điều chế giả trực giao nhằm giảm công suất nhiễu do THHC gây ra ở tín hiệu đầu ra bộ tổng hợp GĐH thu số. Trên cơ sở đó, đề xuất giải pháp thay đổi phương thức phân phối THHC đến từng MĐTP nhằm khắc phục hiện tượng nhiễu rò trong hiệu chuẩn nội, để giảm sai số hiệu chuẩn và khó khăn trong thiết kế công nghệ các MĐTP với yêu cầu cách ly cao giữa các đường tín hiệu. Chương 4: TỔNG HỢP CÁC THUẬT TOÁN VÀ CHU TRÌNH HIỆU CHUẨN NỘI THỜI GIAN THỰC KÊNH THU HỆ THỐNG AMPS Tổng hợp các thuật toán ước lượng tham số đo và các chu trình hiệu chuẩn trên cơ sở cấu trúc THHC đã đề xuất. Các thuật toán và chu trình hiệu chuẩn hướng tới tiêu chí tiết kiệm tài nguyên, đơn giản trong triển khai và có độ tin cậy cao. Cùng với đó, kiểm tra các kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng bằng thực nghiệm trên hệ thống AMPS cỡ nhỏ gồm bốn MĐTP. Kết quả thực nghiệm đã chứng minh hiệu quả của các giải pháp đề xuất. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo Trình bày những đóng góp và nội dụng nghiên cứu tiếp theo của luận án. Phụ lục: Trình bày chi tiết mô hình thử nghiệm của AMPS cỡ nhỏ. 8