Luận án Tiến sĩ Vật lý: Xây dựng hệ thống xử lý tín hiệu số trong hệ định vị vô tuyến

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:132

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Xây dựng hệ thống xử lý tín hiệu số trong hệ định vị vô tuyến

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 CHƢƠNG 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 chƣơng 1 và tiếp cận mục tiêu luận án ................................................23 CHƢƠNG 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 đƣợc 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 1
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 chƣơng 2. .............................................................................................81 CHƢƠNG 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. Đƣờng 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 chƣơng 3 ............................................................................................116 KẾT LUẬN CHUNG ..............................................................................................118 2
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ...............................................................................................................121 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................123 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT A/D Analog to Digital Biến đổi tƣơng 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 tƣơng tự BPF Band Pass Filter Bộ lọc dải thông BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân CCS Code Composer Studio Môi trƣờng soạn thảo mã CW Continuous Wave Rađa Rađa sóng liên tục D/A Digital to Analog Biến đổi số - tƣơng 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 đƣợc kiểm tra FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FIR Finite Impulse Response Đáp tuyến xung hữu hạn GNN Mã giả ngẫu nhiên 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 LO Local Oscillator Dao động nội 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 4
PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất PLL Phase Lock Loop Vòng khóa pha POT Power Oscillator Transmitter Khối phát dao động công suất PR Pulsed Rađa Rađa xung 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 RF Radio Frequency Tần số radio 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 VĐK Vi điều khiển 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 6
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 7
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 Rmax vào SNRmin (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 Pfa = 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 PD vào tỉ số SNR với Pfa cố định (xung đơn) ...............54 Hình 2.31 Sự phụ thuộc của Inp vào số xung được tích lũy .......................................55 Hình 2.32 Sự phụ thuộc của PD theo SNR, với Pfa = 10-12 cho 2 trường hợp không tích lũy và tích lũy không tương can của mô hình Swerling V ............................56 Hình 2.33 PD(SNR), Pfa = 10-12 trong Swerling I, II, III, IV cho trường hợp không tích lũy và tích lũy không tương can ....................................................................56 Hình 2.34 PD (SNR), Pfa = 10-12 chung cho cả 5 mô hình khi np = 1........................57 Hình 2.35 PD(SNR), Pfa = 10-12, np = 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 8
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 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 10
MỞ ĐẦU Từ những ngày xa xƣa, 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 nhƣ vậy, những chú cá heo có thể nhanh chóng tìm đến cứu những ngƣời 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 đƣợc xem là một danh từ chuẩn của tiếng Anh. Một thuật ngữ tƣơng 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 tƣợng liên lạc vô tuyến giữa hai tàu bị cắt đứt lúc có một tuần dƣơng hạm chạy ngang qua. Lí do là do sóng vô tuyến bị phản xạ khi gặp chƣớng ngại vật. Ông đã nghĩ ngay ra việc lợi dụng nguyên lý này để kiểm tra, xác định vị trí và dẫn đƣờng cho tàu thuyền. Đây đƣợc xem là thời điểm khởi đầu của các hệ thống rađa. Trong chiến tranh thế giới lần thứ hai [1], Liên-xô và các nƣớc nhƣ 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 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 các thiết bị số nhƣ máy tính, các bo mạch xử lý tín hiệu số hay các IC số tích hợp cao. Các đầu bài cũng nhƣ 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 hƣớng đến các kỹ thuật xử lý nhƣ vậy. Tổng quan về tình hình nghiên cứu các bài toán xử lý tín hiệu số rađa trong và ngoài nƣớc 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 nhƣ y tế, môi trƣờng, thời tiết… Hiện nay, trƣờng 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 Dƣơng, 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 nhƣ: “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 đƣa 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 bƣớc 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 nƣớc 2009, có các nội dung sau: 12
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 nƣớc hợp tác quốc tế theo nghị định thƣ: “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 phƣơng pháp xử lý phân cực tín hiệu rađa. Ngoài nƣớc: 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 đƣợc 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 nhƣ của: - Relji Sato (2003), “Simple Mismatched Filter for Binary Pulse Compression Code with Small PSL and Small S/N Loss” [78], đƣa ra một số loại mã và thực hiện mô phỏng kỹ thuật nén xung để quan sát việc giảm các sidelode của hàm tự tƣơng quan trong khi không làm ảnh hƣởng 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], đƣa 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 đƣợc 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 phƣơng 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 đƣa 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 phƣơng án đƣa các đƣờng dây trễ vào để giảm tính phức tạp của bộ xử lý số, đồng thời giảm đƣợc 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 tƣơng 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 nhƣ 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 đƣợc. - 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 đƣợc đề cập ở phần đầu của bản tin. Xin đƣợc dịch một cách chính xác nhƣ 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 nhƣ là ống dẫn sóng cực ngắn, linh kiện VLSI dựa trên các chíp ASIC, các 14
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 nƣớc ta. Việc nắm rõ hoạt động của hệ thống giúp ta có thể làm chủ đƣợc 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, nhƣ 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 đƣợc thực hiện dƣới sự hỗ trợ và trao đổi của các nhóm nghiên cứu nhƣ 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 đƣa 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 nhƣ trên, luận án đƣợc trình bày chia thành 3 chƣơng. Chƣơng 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. Nhƣng tập trung đi vào khai thác các kỹ thuật hiện đại nhƣ 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 cƣờng chức năng cho hệ thống. Chƣơng 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 cách triển khai cũng vẫn các công nghệ nền tảng nhƣng là trên các thiết kế hiện đại. Các bài toán xử lý tín hiệu đƣợc 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 vƣợt trội hơn so với các thế hệ rađa truyền thống. Chƣơng 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 vƣợt trội so với các máy thu hiện có trên thị trƣờng. 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 nƣớc. 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 Dƣơng chủ trì. Mục tiêu tƣơng lai của luận án là sau khi nghiên cứu, thiết kế, sử dụng thành công trong môi trƣờng phòng thí nghiệm, sẽ giới thiệu đƣa 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 đƣợc hoàn thiện hơn, tiến dần đến việc đóng gói và thƣơng phẩm. 16
CHƢƠNG 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. Nhƣng cốt lõi của sự thay đổi là với những khối chức năng đó, chúng ta không sử dụng các kỹ thuật điện tử trƣớc 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 tƣơng tự - Phần xử lý tín hiệu, gắn vào xử lý số. Phần trình bày dƣới đây chủ yếu nhấn mạnh vào loại rađa xung (pulsed rađa - PR) hơn là rađa liên tục (continuous wave - CW), mặc dù các ý tƣởng 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 tƣợng 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 thƣờng đƣợc rút ra khi so sánh biên độ của tín hiệu phản xạ A(t) với một thế ngƣỡng V(t) đã đƣợc thiết lập trƣớc 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: ct R (1.1) 2 Tiếp sau khi mục tiêu đã đƣợc phát hiện, ta cần xác định vị trí và vận tốc của mục tiêu. Để xác định vị trí, chúng ta thƣờng sử dụng hệ tọa độ cầu. Ngoài thông số R vừa đo đƣợc, góc phƣơng vị  (azimuth angle) và góc ngẩng  (elevation angle) đƣợc xác định theo hƣớng của ăng-ten hệ thống, vì rằng mục tiêu thƣờng xác định 17
nhờ bởi búp sóng chính của ăng-ten. Vận tốc v của mục tiêu đƣợc khai thác từ việc đo độ dịch tần Doppler fd cho các mục tiêu chuyển động lại gần hay ra xa mục tiêu. 2v fd   (1.2)  Trong đó,  là bƣớc sóng của bức xạ từ ăng-ten. Trong các hệ rađa truyền thống, nhất là trong lĩnh vực quân sự, chúng ta thƣờng 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 đƣợc ảnh hai chiều (two-dimensional image) của đối tƣợng. Đây là một trong những phát triển quan trọng, đƣợc khai thác trong rất nhiều các ứng dụng, ví dụ nhƣ 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, nhƣng với việc suy giảm rất ít sóng điện từ khi đi qua các đám mây, sƣơng 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 lƣợng của rađa đƣợc 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 đƣợc ƣu 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 PD (probability of detection), xác suất phát hiện lầm Pfa (probability of false alarm). Với một hệ thống, PD càng lớn càng tốt, Pfa càng nhỏ càng tốt. Tuy nhiên, thƣờng không đạt đƣợc cùng một chiều hƣớng nhƣ vậy. Để dung hòa, ngƣời 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 hƣởng 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 đƣợc 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 đƣợc phát đi, và khâu xử lí tín 18
hiệu phản xạ trở về. Trong kỹ thuật xử lý tín hiệu rađa, có nhiều khái niệm và kĩ thuật tƣơng đồng với các lĩnh vực xử lý tín hiệu thông tin khác. Ví dụ nhƣ 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, đƣợc hiện đại hóa bởi phép biến đổi Fourier nhanh FFT (fast Fourier transform), là các thuật toán chính đƣợc dùng trong các bộ lọc phối hợp (matched filter), trong các ƣớc tính về hiệu ứng Doppler hay trong các phép xử lý ảnh. Trong phần trình bày dƣới 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 tƣơng tự với thế giới tín hiệu số, sẽ cần đƣợc triển khai và khai thác để có thể thực hiện đƣợc 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 thƣờng là dạng tƣơng can (coherent), có nghĩa là tín hiệu nhận đƣợc 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 phƣơng 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 đƣợc 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 thƣờng 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 ngƣời thiết kế muốn lựa chọn các linh kiện thích hợp. Một xu hƣớng khác hiện nay, là khả năng xử lý thời gian thực (real-time processing) so với xử lý từng mảng dữ liệu nhƣ trƣớc đây (block processing), kỹ thuật có đƣợc khi thiết kế A/D, D/A trên tƣơng can với các bo DSP tốc độ cao. Đây 19