1 MỞ ĐẦU 1. Hệ thống định vị sử dụng vệ tinh và ảnh hƣởng của nhiễu đa đƣờng Trong những năm gần đây, các ứng dụng liên quan đến các hệ thống định vị sử dụng vệ tinh (GNSS) ngày càng phát triển rộng rãi. Nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao đó, các hệ thống GNSS đã được hiện đại hóa hoặc triển khai mới với việc bổ sung thêm nhiều tính hiệu định vị mới. Trong khi tín hiệu định vị của hệ thống GPS thế hệ I sử dụng phương thức điều chế BPSK, các tín hiệu định vị mới sử dụng một phương thức điều chế mới gọi là điều chế sóng mang dịch nhị phân (BOC). Trong quá trình lan truyền từ vệ tinh tới bộ thu định vị, các tín hiệu định vị phải chịu tác động nhiều tác nhân gây sai số. Trong số đó, nhiễu đa đường có những đặc tính riêng biệt, khó khắc phục triệt để và trở thành nguồn gây sai số chính trong hệ thống GNSS. Các nghiên cứu để tìm ra các giải pháp kỹ thuật xử lý tín hiệu tại bộ thu đối với sai số do truyền dẫn đa đường được thực hiện theo nhiều hướng khác nhau. Về cơ bản, các giải pháp đó có thể được chia thành 3 hướng chủ yếu: o Giải pháp thực hiện trước bộ thu ứng với miền cao tần của tín hiệu. o Giải pháp thực hiện tại khối xử lý tín hiệu trong bộ thu o Giải pháp sau quá trình xử lý tín hiệu – kỹ thuật hậu xử lý. Với các tín hiệu định vị mới, bên cạnh có thể sử dụng lại các giải pháp đề xuất áp dụng cho tín hiệu GPS C/A, các giải pháp chống nhiễu đa đường mới cũng được đề xuất dựa trên đặc tính của phương thức điều chế BOC. Bên cạnh những ưu điểm mà tín hiệu định vị mới có được nhờ phương thức điều chế BOC, một nhược điểm của các tín hiệu định mới cũng xuất hiện. Đó là hiện tượng đồng bộ nhầm khi hàm tương quan của tín hiệu định vị mới có nhiều đỉnh tương quan. Vì vậy, các giải pháp loại bỏ hoặc giảm thiểu nguy cơ đồng bộ nhầm đã được nghiên cứu, triển khai và áp dụng cho các bộ thu định vị mới. Các giải pháp này được thực hiện theo một số xu hướng chủ yếu: o Nghiên cứu thiết kế thay đổi cấu trúc của khối đồng bộ trong bộ thu định vị để nhận được một hàm tương quan mới thay thế cho hàm tự tương quan của tín hiệu BOC. o Sử dụng các bộ lọc để tách tín hiệu BOC thu được thành hai tín hiệu BPSK, khi đó hàm tự tương quan chỉ có một đỉnh chính. 2. Những vấn đề còn tồn tại Do các ứng dụng sử dụng các dịch vụ được cung cấp bởi các hệ thống định vị sử dụng vệ tinh ngày càng phát triển và đòi hỏi về chất lượng dịch vụ ngày càng cao nên những yêu cầu kỹ thuật đặt ra cho các hệ thống định vị sử dụng vệ tinh cũng không ngừng tăng lên. Các giải pháp giảm ảnh hưởng của truyền dẫn đa đường cũng liên tục được nghiên cứu, đề xuất và triển khai. Trong số đó, các giải pháp dựa trên cấu trúc đa tương quan như DDC (5 bộ tương quan) và MGD (nhiều hơn ba bộ tương quan) đã chứng minh được ưu điểm. Tuy nhiên, hiệu quả của giải pháp DDC này đối với các tín hiệu đa đường có trễ ngắn (trễ của tín hiệu đa đường so với tín hiệu truyền thẳng nhỏ hơn ) vẫn còn rất hạn chế. Do đó, việc triển khai thực hiện giải pháp đa bộ tương quan để tăng hiệu quả giảm đa đường và tăng cường hiệu quả giảm nhiễu đa đường có trễ ngắn vẫn luôn là một đề tài được nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm. Trong các giải pháp về tránh đồng bộ nhầm cho tín hiệu BOC cũng tồn tại một số vấn đề. Một là, tuy đạt được việc tránh đồng bộ nhầm vào các đỉnh phụ nhưng làm mất đi các đặc tính nhờ bề rộng đỉnh chính hẹp của tín hiệu BOC. Hai là, các giải pháp được đề xuất chỉ áp dụng tốt với một dạng tín hiệu BOC như  . Ba là, giải pháp tránh đồng bộ nhầm cho các dạng điều chế BOC khác vẫn chưa được đề xuất. 2 3. Mục tiêu, đối tƣợng, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu:  Nghiên cứu nâng cao hiệu năng bám mã cho DLL sử dụng cấu trúc đa tương quan như cải tiến cấu trúc DDC và tối ưu cấu trúc MGD.  Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp tránh đồng bộ nhầm khi thực hiện thu tín hiệu định vị dạng điều chế BOC như tín hiệu     và  . Đây đều là những dạng điều chế được hệ thống GPS và Galileo sử dụng cho các tín hiệu định vị mới. Đối tượng nghiên cứu:  Cấu trúc và các đặc điểm của mạch vòng bám mã (vòng khóa trễ - DLL) trong bộ thu GNSS.  Tập trung vào các tín hiệu định vị mới sử dụng phương pháp điều chế BOC như   pha sin hoặc pha cosin. Phạm vi nghiên cứu:  Nghiên cứu các đặc tính của các tín hiệu định vị mới sử dụng phương pháp điều chế BOC.  Nghiên cứu các đặc điểm của DLL hoạt động với tín hiệu điều chế BOC khi sóng mang đã được tách thành công. Phương pháp nghiên cứu  Sử dụng phương pháp mô phỏng để xem xét ảnh hưởng của nhiễu đa đường đến hiệu năng hoạt động của DLL trong bộ thu GNSS. Việc đánh giá sai số do tín hiệu đa đường gây ra được thực hiện thông qua tiêu chí đường bao lỗi đa đường và sai số đó (gọi là sai số khoảng cách) được xem xét tại khối bám đồng bộ tín hiệu và áp dụng cho tín hiệu định vị xuất phát từ mỗi vệ tinh riêng rẽ (link level). 4. Cấu trúc nội dung của luận án Cấu trúc của luận án gồm có 04 chương. Phần giới thiệu về bộ thu của hệ thống định vị sử dụng vệ tinh GNSS trình bày ở Chương 1. Chương 2 đi phân tích chi tiết về mạch vòng DLL trong bộ thu GNSS. Toàn bộ đóng góp khoa học của luận án được trình bày ở các Chương 3 và Chương 4. Trong đó, hai giải pháp giảm nhiễu đa đường dựa trên cấu trúc bộ đa tương quan áp dụng cho tín hiệu định vị sử dụng điều chế   được đề xuất, phân tích và đánh giá ở Chương 3. Chương 4 đề cập đến việc đề xuất một số giải pháp nhằm hạn chế sai lệch đồng bộ tránh nguy cơ bám nhầm đỉnh tương quan khi thực hiện bám mã tín hiệu định vị dạng điều chế BOC. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG VỆ TINH 1.1.Hệ thống GNSS Nguyên tắc hoạt động của GNSS dựa trên việc đo khoảng cách giữa người sử dụng và các vệ tinh quỹ đạo tầm trung (MEO) có vị trí đã biết. Trên cơ sở các khoảng cách từ bộ thu GNSS đến ít nhất ba vệ tinh, bộ thu xác định được vị trí của nó dựa trên nguyên lý tam giác. Hệ thống GNSS phổ biến nhất hiện nay là hệ thống định vị toàn cầu (GPS) của Mỹ. Bên cạnh đó, còn có các hệ thống khác cũng đang được triển khai mới hoặc tái khởi động lại như GLONASS của Liên bang Nga, hệ thống Bắc đẩu (Beidou) của Trung Quốc và hệ hệ thống Galileo của Liên minh châu Âu. 1.2.Bộ thu trong hệ thống GNSS Các chức năng của một bộ thu GNSS và cấu trúc bộ thu mềm GNSS được minh họa ở Hình 1.3. Quá trình xử lý tín hiệu trong bộ thu GNSS bắt đầu từ quá trình thu nhận tín hiệu định vị từ vệ tinh của khối đầu cuối cao tần RF đến quá trình tính toán của khối xử lý bản tin dẫn đường. Trong 3 hình vẽ, khối đồng bộ tín hiệu bao gồm: khối bắt đồng bộ tín hiệu và khối bám đồng bộ tín hiệu (sau đây gọi tắt là khối bắt tín hiệu và khối bám tín hiệu) đóng vai trò rất quan trọng và là mục tiêu nghiên cứu chính trong luận án. Đầu cuối RF Đồng bộ tín hiệu Giải điều chế dữ liệu Tính toán PVT Anten ADC Đầu cuối RF Giải điều chế dữ liệu Tính toán PVT Anten ADC Giải điều chế dữ liệu Tính toán PVT Anten ADC Số liệu định vị Số liệu định vị Số liệu định vị Đồng bộ tín hiệu Đồng bộ tín hiệu Phần cứng Phần mềm Bộ thu cứng Bộ thu mềm SDR Bộ thu mềm lý tưởng Hình 1.3. Kiến trúc tổng quát của bộ thu cứng, bộ thu mềm SDR và bộ thu mềm lý tưởng 1.3.Tín hiệu định vị vệ tinh 1.2.1. Điều chế sóng mang dịch nhị phân (BOC) 1.2.1.1.Khái niệm điều chế BOC Tín hiệu BOC ở dạng băng gốc được tạo ra bằng cách nhân một mã giả ngẫu nhiên dạng NRZ với sóng mang con có dạng sóng vuông đã được đồng bộ với mã giả ngẫu nhiên. Tùy thuộc vào pha ban đầu của sóng mang con mà tín hiệu BOC nhận được là BOC pha sin (nếu pha ban đầu của sóng mang con là 0) và BOC pha cosin (nếu pha ban đầu của sóng mang con là ). Một tín hiệu dạng BOC được ký hiệu là   trong đó  là tỉ số giữa tần số sóng mang con   và tần số tham chiếu    ;  là tỉ số giữa tốc độ chip mã giả ngẫu nhiên   và tần số tham chiếu. Một tham số quan trọng được định nghĩa cho các tín hiệu BOC đó là bậc điều chế   với    . 1.2.1.2.Các đặc điểm của phương thức điều chế BOC a. Hàm mật độ phổ công suất (PSD) Hình 1.6 minh họa hàm PSD chuẩn hóa của các tín hiệu   và tín hiệu BPSK. Có thể nhận thấy, do tác động của sóng mang con, thành phần năng lượng chính của các tín hiệu điều chế BOC đã bị chia thành hai phần đối xứng qua tần số trung tâm và dịch chuyển ra khỏi tần số trung tâm. Điều này giúp cho các tín hiệu điều chế BOC và tín hiệu BPSK có thể cùng đồng thời tồn tại trên một tần số sóng mang. Hình 1.6. PSD của tín hiệu BPSK,  và  Hình 1.7. Hàm ACF của một số tín hiệu định vị khi bộ lọc RF có băng thông vô hạn b. Hàm tự tương quan (ACF) của tín hiệu BOC Hàm ACF của tín hiệu BOC, được minh họa ở Hình 1.7, có dạng tuyến tính từng đoạn, xung răng cưa và có nhiều đỉnh tương quan phụ bên cạnh đỉnh tương quan chính. Hàm ACF này bị thay 4 đổi khi băng thông của bộ lọc RF thay đổi. Do ảnh hưởng băng thông bộ lọc này, đỉnh chính của hàm ACF bị uốn và bị suy hao. Băng thông bộ lọc càng nhỏ thì đỉnh chính hàm ACF càng bị suy hao nhiều và bị uốn càng nhiều. Ảnh hưởng của băng thông bộ lọc đến đỉnh chính hàm ACF tác động rất nhiều đến hiệu năng hoạt động của các cấu trúc ở bên trong bộ thu GNSS. 1.4.Các nguồn gây lỗi trong hệ thống GNSS 1.3.1. Sai số do vệ tinh GNSS 1.3.2. Sai số trong quá trình truyền sóng tín hiệu 1.3.2.1.Sai số do tầng điện ly Để khắc phục sai số do tầng điện ly, các bộ thu GNSS mới thường kết hợp hai tín hiệu định vị tại hai tần số sóng mang là L1 và L2 để khử sai số này. Các bộ thu GNSS đơn tần phổ biến có thể sử dụng các mô hình sửa lỗi tầng điện ly để loại bỏ sai số tầng điện ly như mô hình Klobuchar. 1.3.2.2.Sai số do tầng đối lưu Mô hình hóa các thành phần khô cũng như ẩm của tầng đối lưu để tính toán sai số trong quá trình truyền tín hiệu định vị qua tầng đối lưu đã được phát triển và gọi là mô hình UNB3. 1.3.3. Sai số do bộ thu GNSS 1.3.4. Sai số do đa đường Ngoài các nguồn gây sai số ở trên, đa đường là một trong những sai số chủ yếu trong hệ thống GNSS. Hiện tượng đa đường hoàn toàn mang tính cá thể, với các bộ thu GNSS khác nhau, ở các vị trí khác nhau không xa, sự tác động của hiện tượng đa đường là khác nhau. Giải pháp thông dụng nhất hiện nay là tìm kiếm các kỹ thuật nhằm giảm thiểu tác động của hiện tượng đa đường đến bộ thu GNSS. CHƢƠNG 2 ĐỒNG BỘ MÃ TRONG BỘ THU GNSS 2.1. Cấu trúc của DLL 2.1.1. Cấu trúc tổng quát của DLL Cấu trúc tổng quát của khối bám tín hiệu được minh họa ở Hình 2.1. Nhiệm vụ của khối bám tín hiệu bao gồm: bám sóng mang và bám mã PRN. Trong các bộ thu GNSS, mạch vòng bám sóng mang là mạch vòng khóa pha (PLL) còn mạch vòng bám mã PRN là mạch vòng khóa trễ (DLL). Do nhiều lý do khác nhau nên hiệu năng hoạt động của DLL ảnh hưởng nghiêm trọng đến bộ thu GNSS. Hình 2.1. Sơ đồ của khối bám tín hiệu trong bộ thu GNSS 5 2.1.2. Bộ so pha mã trong DLL Trong cấu trúc DLL, bộ so pha mã quyết định đến chất lượng của DLL. Do đó, việc lựa chọn cấu trúc của bộ so pha mã là rất quan trọng vì việc này ảnh hưởng đến việc ước lượng ban đầu về sai số của quá trình bám mã. Khi triển khai trong các bộ thu GNSS thương mại, để tránh sự phụ thuộc vào việc tách sóng mang, hai dạng thức không kết hợp thông dụng của bộ so pha mã được sử dụng: 22 () 2 2 2 EM LP P D R R                        (2.3)   () 2 2 2 DP P D R R R                         (2.4) 2.1.2.1. Đặc điểm của bộ so pha Hai tham số quan trọng để đánh giá đặc tính hoạt động của bộ so pha bao gồm:  Miền ổn định: miền ổn định là miền xung quanh điểm lệch 0 của bộ so pha sao cho trong miền đó khi sai số đầu vào bộ so pha không đổi dấu thì đáp ứng của bộ so pha cũng không đổi dấu  Miền tuyến tính: miền tuyến tính là miền xung quanh điểm lệch 0 sao cho đáp ứng của bộ so pha tỉ lệ thuận với sai số về pha ở đầu vào. Các miền ổn định và miền tuyến tính của các bộ so pha phụ thuộc không chỉ vào khoảng lệch sớm – muộn mà còn phụ thuộc vào dạng thức của bộ so pha được sử dụng cũng như dạng tín hiệu định vị được xử lý. Nhằm loại bỏ những ảnh hưởng không mong muốn đến hiệu năng hoạt động của bộ so pha để thực hiện các đề xuất trong luận án, khoảng lệch sớm – muộn và băng thông bộ lọc RF cần phải được lựa chọn hợp lý để đảm bảo các đầu ra của bộ tương quan sớm, muộn nằm trên các đoạn tuyến tính của hai bên sườn búp chính hàm ACF. 2.2. Những tác động gây sai số trong DLL Trong quá trình bám đồng bộ tín hiệu định vị, các mạch vòng bám mã DLL chịu tác động của một số nguồn gây sai số chủ yếu như: tạp âm nhiệt, tín hiệu đa đường và độ sai động của tín hiệu. 2.2.1. Điều kiện biên dưới Cramer – Rao của độ chính xác bám mã Điều kiện biên dưới Cramer – Rao (CRLB) xác định sai lệch nhỏ nhất, trong điều kiện chịu ảnh hưởng của tạp âm nhiệt, của một bộ ước lượng theo hợp lý cực đại (ML) để ước lượng thời gian đến của một tín hiệu:   2 2 2 0 2 L LB RMS B C N    (2.16) Điều kiện biên Cramer – Rao phụ thuộc vào dạng điều chế của tín hiệu định vị. 2.2.2. Sai số Tạp âm nhiệt Đây là một trong những nguồn gây sai số chủ yếu trong các mạch vòng DLL, phương sai của lỗi bám mã gây ra bởi tạp âm AWGN được xác định bởi: 2 2 (1 0.5 ) (0) X L L I N X X B B T G K    (2.19) 2.2.3. Sai số do tín hiệu đa đường  Khái niệm về truyền dẫn đa đường Đa đường là hiện tượng truyền sóng mà tín hiệu tới bộ thu bao gồm nhiều tia sóng thành phần khác nhau. Bên cạnh thành phần tia truyền thẳng (LOS), các tia sóng khác cũng có thể tới được anten của bộ thu như tia khúc xạ, tia phản xạ, tia nhiễu xạ,… 6  Mô hình kênh đa đường Tín hiệu định vị trước khi đến bộ thu GNSS bị phản xạ, khúc xạ, tán xạ. Điều này dẫn đến bên cạnh thành phần LOS, các thành phần đa đường khác của tín hiệu định vị với độ trễ, pha sóng mang và tần số sóng mang khác nhau cùng tới anten của bộ thu GNSS. Sự tham gia của thành phần đa đường trong hàm tương quan tổng hợp làm cho hình dạng của hàm tương quan tổng hợp này khác với hàm tương quan của riêng thành phần LOS và tín hiệu tái tạo ở bộ thu. Điều đó đồng nghĩa với việc tín hiệu đa đường đã làm biến dạng hàm tương quan mà bộ thu GNSS quan tâm. Hình 2.10. Hàm ACF của tín hiệu   khi có sự tham gia của tia đa đường đồng pha (Trái) và ngược pha (Phải) Hình dạng của hàm tương quan tổng hợp này được minh họa ở Hình 2.10. Qua hình vẽ có thể nhận thấy, hàm tương quan giữa tín hiệu thu được và tín hiệu tái tạo ở bộ thu GNSS đã bị biến dạng khi so sánh với hàm tương quan của thành phần tín hiệu LOS và tín hiệu tái tạo ở bộ thu GNSS. Sự biến dạng của hàm tương quan tổng hợp này gây ra những sai lệch có thể xảy ra trong quá trình đồng bộ khi bộ thu cố gắng khóa vào đỉnh của hàm tương quan. 2.2.4. Hiện tượng nhầm lẫn trong bám mã tín hiệu điều chế BOC Đối với các tín hiệu điều chế BOC, do sự ảnh hưởng của các symbol điều chế sóng vuông, bên cạnh đỉnh chính, hàm tự tương quan của các tín hiệu điều chế BOC có thêm nhiều đỉnh phụ. Số lượng đỉnh phụ phụ thuộc vào bậc điều chế. Do đó, trong quá trình bắt đồng bộ tín hiệu, hiện tượng đồng bộ nhầm xảy ra. Khi xảy ra đồng bộ nhầm, giữa mã PRN trong tín hiệu thu và mã PRN tái tạo ở bộ thu tồn tại sai lệch dẫn đến sai số trong quá trình bám mã. CHƢƠNG 3 CẤU TRÚC ĐA TƢƠNG QUAN VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG BÁM MÃ 3.1 Các giải pháp giảm nhiễu đa đƣờng và tiêu chí đánh giá 3.1.1. Các giải pháp giảm nhiễu đa đường Hiện nay, các giải pháp về giảm ảnh hưởng đa đường cho các bộ thu GNSS được thực hiện theo ba xu hướng khác nhau. Các giải pháp được thực hiện ở khối đồng bộ tín hiệu có nhiều ưu điểm hơn so với hai xu hướng còn lại như: tính linh động cao, hiệu quả cao. Đặc biệt, các giải pháp này dễ dàng áp dụng được trong các bộ thu mềm SDR, một xu hướng thiết kế bộ thu GNSS phổ biến hiện nay trên thế giới và có chi phí rẻ hơn so với xu hướng thiết kế bộ thu cứng truyền thống 3.1.2. Các tiêu chí đánh giá tác động của nhiễu đa đường  Phương pháp đường bao lỗi đa đường MEE Phương pháp MEE xem xét trường hợp bộ thu GNSS được đặt trong môi trường chỉ có 1 thành phần tín hiệu đa đường bên cạnh thành phần tín hiệu LOS. Trong đó, biên độ tương đối của thành 7 phần đa đường so với thành phần LOS duy trì không đổi trong suốt quá trình đánh giá tác động của hiện tượng đa đường. Việc tính toán đường bao lỗi trung bình tương đương với việc tìm ra điểm cắt 0 của đáp ứng bộ so pha vì đây là điểm khóa ổn định của mạch vòng DLL.  Phương pháp đường bao lỗi trung bình RAE Để đánh giá thực tế hơn, phương pháp giá trị trung bình của MEE (RAE) được sử dụng để thay thế cho MEE. Trong phương pháp RAE, chỉ những giá trị tuyệt đối của đường bao mới được xem xét và tổng tích lũy của chúng được sử dụng để tính lỗi trung bình. 3.2 Cấu trúc bộ tƣơng quan kép (DDC) Trong giải pháp DDC, thay vì chỉ sử dụng 03 bộ tương quan như trong NC , DLL sử dụng 05 bộ tương quan (hai bộ tương quan Sớm      ; hai bộ tương quan Muộn       và một bộ tương quan Đúng . Các bộ tương quan này cách đều nhau về mặt độ trễ. Trong trường hợp tách sóng kết hợp (coherent), đáp ứng bộ so pha trong DLL của khối bám tín hiệu là sự kết hợp tuyến tính giữa các đầu ra tương quan theo công thức:     DD 1 1 2 2 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 C D E L E L          (3.5) Hình 3.5. Cấu trúc DLL dạng DDC hoạt động với tín hiệu  . Với cách điều chỉnh cấu trúc của khối bám mã như vậy, giải pháp DDC có hiệu năng giảm nhiễu đa đường tốt hơn khá nhiều so với giải pháp NC, đặc biệt với những trễ đa đường trong khoảng từ trung bình đến dài (tín hiệu đa đường có trễ tương đối so với tín hiệu LOS từ  đến ). Tuy nhiên, với những trễ đa đường gần (độ lệch giữa thành phần đa đường và thành phần LOS nhỏ hơn , giải pháp DDC vẫn không có sự vượt trội so với giải pháp NC. Vì vậy, để có thể cải thiện được hiệu năng giảm ảnh hưởng đa đường của giải pháp DDC, sai số của giải pháp DDC do ảnh hưởng của đa đường được đánh giá. Trên cơ sở xác định được sai số đó, ta tiến hành bù lại phần sai lệch đó để khắc phục sai lệch do đa đường gây ra. Khi có sự tham gia của thành phần đa đường, đỉnh tương quan  này bị lệch ra khỏi điểm lệch 0. Tùy thuộc vào pha của thành phần đa đường, đỉnh tương quan  này có thể bị lệch sang phải hoặc sang trái điểm lệch 0. Điều này tương đương với điểm khóa của bộ so pha DLL bị dịch sang bên phải hoặc sang bên trái của điểm lệch 0. 3.3 Điều chỉnh đáp ứng bộ so pha của cấu trúc DDC 3.2.1. Tín hiệu đa đường đồng pha Trường hợp tín hiệu đa đường đồng pha với tín hiệu, các hàm tương quan của tín hiệu tạo ra ở bộ thu với các tín hiệu LOS (LOS ACF), tín hiệu đa đường (MP) (MP ACF) và tín hiệu tổng được minh họa ở Hình 3.10. Gọi  là lỗi đầu ra của bộ so pha do ảnh hưởng của đa đường (lỗi này tương ứng với độ lệch của đầu ra bộ tương quan đúng  khỏi điểm lệch 0 (điểm tương quan đúng);  là giá trị biên độ cực 8 đại của hàm tương quan tín hiệu LOS;  là giá trị biên độ cực đại của hàm tương quan tín hiệu đa đường MP;  là trễ của thành phần đa đường so với thành phần tín hiệu LOS và  là khoảng lệch sớm – muộn. Thực hiện mô hình hóa các đoạn của các hàm tương quan này. Từ đó thực hiện các tính toán, biến đổi toán học để cuối cùng xác định được lỗi đầu ra bộ so pha do tác động của nhiễu đa đường: 1 2 1 12 ) ( ) ( ) 2( E E P E LL       (3.15) Hình 3.10. Dạng hình học của các hàm tương quan khi thành phần đa đường đồng pha Hình 3.11. Dạng hình học của các hàm tương quan khi thành phần đa đường đồng pha Như vậy, sai lệch ở đầu ra bộ so pha do tác động của thành phần đa đường được xác định thông qua (3.15). Giá trị cực đại của sai lệch này được sử dụng để thay đổi đáp ứng đầu ra của bộ so pha. Khi đó, đáp ứng đầu ra của bộ so pha trong giải pháp DDC được thay đổi và có dạng mới: 2 2 1 2 1 max1 1 1 mod1 12 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2( DDC E L E E P E D D E L LL                 (3.16) 3.2.2. Tín hiệu đa đường ngược pha Đối với trường hợp tín hiệu đa đường ngược pha với tín hiệu LOS, các hàm tương quan lúc này được minh họa ở Hình 3.11. Cũng thực hiện các giai đoạn mô hình hóa các đoạn của các hàm tương quan để xây dựng công thức xác định giá trị các đầu ra tương quan. Tuy nhiên, khác với trường hợp tín hiệu MP đồng pha, một bộ tương quan muộn mới được bổ sung vào cấu trúc DLL. Bộ tương quan muộn này là   , có khoảng lệch so với bộ tương quan  là . Cuối cùng sai lệch ở đầu ra bộ so pha được biểu diễn bởi: 12 1 12 12 1 ( ) ( ) 4( ) L L P L LL       (3.23) Vì vậy, với trường hợp tín hiệu MP ngược pha so với tín hiệu LOS, hàm đầu ra của bộ so pha được thay đổi thành: 2 2 12 1 12 max 2 1 1 mod 2 12 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 4( ) DDC E L L L P L D D E L LL                 (3.24) 3.2.3. Cơ chế xác định pha của tín hiệu đa đường Xem xét lại công thức, khi tín hiệu đa đường có trễ nhỏ hơn , vế trái của công thức này luôn có giá trị dương khi tín hiệu đa đường đồng pha. Cũng từ nhận xét đối với tín hiệu đa đường ngược pha, vế trái của luôn có giá trị bằng 0 do tín hiệu đa đường ngược pha không làm sai khác giữa hai hiệu       và      nên đây là một tham số quyết định pha của tín hiệu đa đường:     1 1 2 1 D E E P E    (3.25) 9 Bên cạnh đó, khi xét biên độ của bộ tương quan sớm   và bộ tương quan muộn   ta cũng có được nhận xét: khi tín hiệu đa đường đồng pha, biên độ của   nhỏ hơn   và ngược lại, khi tín hiệu đa đường ngược pha, biên độ của   lớn hơn   . Đây chính là cơ sở để xác định tham số quyết định pha của tín hiệu đa đường theo công thức: 2 2 2 D E L (3.26) 3.2.4. Kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng giảm đa đường Các mô phỏng được tiến hành nhằm tìm ra đường bao lỗi đa đường MEE. Khi sử dụng tiêu chí đánh giá MEE, mô hình kênh truyền tĩnh bao gồm hai tín hiệu: một tín hiệu LOS và một tín hiệu MP. Tín hiệu MP có biên độ bằng ½ tín hiệu MP, có pha đồng pha hoặc ngược pha so với tín hiệu LOS. Cuối cùng, độ trễ của tín hiệu MP thay đổi từ  đến . Các kết quả về MEE của cấu trúc cải tiến này và cấu trúc DDC được minh họa ở Hình 3.12 với các giá trị khác nhau của . Hình 3.12. Đồ thị MEE cho tín hiệu   với cấu trúc EML DDC và EML DDC điều chỉnh với  1 =0.2chip (trái) và  1 =0.3chip (phải) So với cấu trúc DDC, giải pháp cải tiến này cải thiện hiệu năng giảm đa đường khi gặp các tín hiệu đa đường có trễ ngắn. Trong khi đó, với các đa đường có trễ trung bình và dài, hiệu năng giảm đa đường không được cải thiện. Như đã nêu ban đầu, mục đích chính của cấu trúc điều chỉnh này đó là tăng hiệu năng giảm đa đường cho cấu trúc DDC khi gặp tín hiệu đa đường có trễ ngắn. Do đó, yêu cầu đặt ra ban đầu đã đạt được. 3.4 Cấu trúc có nhiều bộ tƣơng quan (MGD) 3.3.1. Cấu trúc MGD và những vấn đề tồn tại Giải pháp MGD sử dụng số lượng cặp tương quan là  (  ) để tạo ra đáp ứng bộ so pha trong DLL. Khi đó được gọi là bậc của cấu trúc MGD. Đáp ứng bộ so pha của cấu trúc MGD có dạng (bộ lọc RF có băng thông vô cùng lớn): 11 1 11 () 22 mm N MGD i i D a R i R i                                                      (3.27) Với   là trọng số ứng với mỗi cặp tương quan sớm – muộn;   là khoảng lệch sớm – muộn của cặp tương quan sớm – muộn gần sát nhất với bộ tương quan đúng. Còn tham số    ứng với tách sóng kết hợp (coherent);   ứng với tách sóng không kết hợp (noncoherent). Việc lựa chọn các trọng số và khoảng lệch sớm – muộn ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu năng hoạt động của giải pháp MGD. Ngoài ra số lượng cặp tương quan càng nhiều thì độ phức tạp của cấu trúc MGD càng tăng lên gây ra những khó khăn trong việc thiết kế, chế tạo DLL. 10 3.3.2. Cấu trúc MGD với 7 bộ tương quan 3.3.2.1. Đề xuất cấu trúc Trên cơ sở những phân tích ở trên, cấu trúc MGD được đề xuất gồm 3 tầng ứng với 3 cặp tương quan sớm muộn như Hình 3.13. Đồng thời, một cấu trúc DLL dựa trên cấu trúc đó được đề xuất áp dụng. Trong cấu trúc này, khoảng lệch của các cặp tương quan sớm – muộn      , tương ứng các bộ tương quan Sớm, Muộn cách đều nhau. Hàm đầu ra của bộ so pha ở dạng “noncoherent” được biểu diễn:         3 22 1 ( ) / 2 / 2 i i i p MGD i D a R R                (3.31) Bộ tạo mã Bộ tạo sóng mang con Lọc vòng Tạo sóng mang NCO ()st L3 NCO L2 L1 E3 E2 E1 + - Các bản sao Muộn Các bản sao Sớm NCO: Bộ tạo dao động điều khiển số   2    2    2    2    2    2  2a 1a 3a ()  ()  ()  ()  ()  ()  + - + - () p MGD D   Bộ so pha Hình 3.13. Sơ đồ khối cấu trúc MGD đề xuất Việc lựa chọn các hệ số       ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu năng hoạt động của khối bám mã khi xét đến nhiễu đa đường. Bên cạnh đó, việc lựa chọn các hệ số này ảnh hưởng đến đặc tính đầu ra của bộ so pha. Tiêu chí để đánh giá đặc tính đầu ra bộ so pha đó chính là hàm đầu ra bộ so pha chỉ có một điểm cắt 0 là điểm cắt 0 đúng ứng với độ lệch bằng 0 giữa mã PRN trong tín hiệu định vị thu được và mã PRN tạo ra ở bộ thu. 3.3.2.2. Tối ưu các hệ số trong cấu trúc MGD  Nâng cao độ chính xác – tránh bám nhầm với tín hiệu   Giai đoạn thứ nhất của quá trình tối ưu nhằm tìm ra các cặp hệ số       để hàm đầu ra của bộ so pha không còn các điểm khóa nhầm. Do vậy, đáp ứng đầu ra của bộ so pha phải thỏa mãn điều kiện sau: ( ) 0, 0 1( ) ( ) 0, -1 0( ) p MGD p MGD D chip D chip           (3.33) Biểu thức (3.33) đồng nghĩa với vùng làm việc ổn định của bộ so pha trải rộng thành . Các hàm đầu ra bộ so pha dạng NC – EMLP hầu hết đều tồn tại hai điểm khóa phụ bên cạnh một điểm khóa chính khi thực hiện với tín hiệu định vị  . Với cấu trúc MGD được đề xuất ở đây có số cặp tương quan sớm – muộn    và khoảng lệch sớm – muộn tuân theo quy luật          thì điều kiện để có thể tối ưu được các hệ số là    . Thực hiện điều chỉnh các hệ số của cấu trúc MGD với khoảng giá trị   (việc lựa chọn khoảng giá trị này tương ứng với việc chuẩn hóa       theo giá trị của hệ số   với     và cũng không mất đi tính tổng quát của bài toán) và bước dịch của các hệ số là , các bộ hệ số      nhận được khá nhiều ứng với mỗi giá trị của khoảng lệch sớm – muộn   . [...]... sai số do thành phần đa đường có trễ trung bình và dài nhưng với các đa đường dạng này, hiệu năng của giải pháp vẫn rất tốt Băng thông của bộ lọc ảnh hưởng rất lớn đến hiệu năng giảm nhiễu đa đường của giải pháp đề xuất Băng thông càng giảm, hiệu năng giảm nhiễu đa đường càng kém 20 Hình 4.30 MEE với bộ so pha EMLP có (trái) và cho Rs3 () với và cho ACF với các tín hiệu (phải) Giải pháp cho tín hiệu. .. đại của sai số đa đường ở SCPC nhỏ nhất nhưng xu hướng tiến về 0 của sai số này là tương đương giữa giải pháp đề xuất và SCPC Hình 4.12 Đường bao MEE (trái) và RAE (phải) của cấu trúc đề xuất, EMLP NC, AsPECT, SCPC và bộ so pha có cho tín hiệu 4.3 Giải pháp cho tín hiệu dạng điều chế BOCs(n,n) và BOCc(n,n) 4.3.1 Thuật toán Teager – Kaiser và ứng dụng trong xử lý tín hiệu hệ thống GNSS Dựa trên định luật... năng giảm nhiễu đa đường với các tín hiệu đa đường ngắn Tiếp đó, đề xuất và tối ưu cấu trúc MGD 3 tầng nhằm loại trừ khả năng bám nhầm và duy trì hiệu năng giảm nhiễu đa đường Ngoài ra, khả năng triển khai cấu trúc này trên các bộ thu mềm GNSS cũng rất dễ dàng  Đề xuất và thực hiện một số giải pháp cải thiện độ chính xác trong quá trình bám mã cho DLL khi triển khai với một số dạng điều chế tín hiệu BOC. .. dạng điều chế Phần tiếp theo của chương đề xuất thêm một giải pháp để loại bỏ các đỉnh phụ trong hàm tự tương quan của tín hiệu điều chế dạng Đây là dạng điều chế được hệ thống GPS đề xuất sử dụng cho tín hiệu định vị M code trong quá trình hiện đại hóa hệ thống 4.4.1 Đặc điểm của tín hiệu Hai đặc tính của tín hiệu điều chế được quan tâm xem xét trong phần này bao gồm: hàm tự tương quan của tín hiệu. .. tín hiệu đa đường đến hiệu năng của mạch vòng DLL phụ thuộc vào biên độ tương đối và pha tương đối của tín hiệu đa đường so với tín hiệu LOS Trong trường hợp chỉ xem xét ảnh hưởng của một thành phần tín hiệu đa đường thì tiêu chí được sử dụng là đường bao lỗi đa đường MEE và RAE như đã mô tả ở Chương 2 Đặc tính của MEE và RAE được biểu diễn ở Hình 4.12 Trong đó, tín hiệu MP có biên độ bằng ½ so với tín. .. đường và hiện tượng sai lệch đồng bộ khi bộ thu GNSS hoạt động với các tín hiệu định vị dạng điều chế BOC Luận án đã đạt được một số kết quả nghiên cứu mới có thể được tóm lược lại như sau:  Đề xuất, cải tiến và tối ưu các cấu trúc DLL sử dụng đa bộ tương quan nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động cho các cấu trúc này Đầu tiên, cấu trúc sử dụng 5 bộ tương quan (cấu trúc DDC) được cải tiến nhằm nâng cao hiệu. .. bằng ½ so với tín hiệu LOS và bộ so pha dạng EMLP có Từ quan sát hình vẽ, ta thấy rằng, với trường hợp tín hiệu đa đường có trễ ngắn, giải 16 pháp đề xuất và hai giải pháp AsPECT và NC có hiệu năng giảm đa đường tương đương và kém hơn so với giải pháp SCPC Với các trường hợp trễ đa đường trung bình đến dài, giải pháp đề xuất có hiệu năng giảm đa đường tốt nhất Điều này được khẳng định rõ nét hơn ở... chịu ảnh hưởng của tín hiệu đa đường Giải pháp dựa trên thay đổi kết hợp các hàm tương quan phụ Hiệu năng bám mã của cấu trúc này được cải thiện đáng kể khi chịu ảnh hưởng của tín hiệu đa đường Trong trường hợp này, để thuận tiện ta xét riêng ảnh hưởng của tín hiệu đa đường và tác động đó được thể hiện qua đường bao lỗi đa đường ở Hình 4.30 Qua mô tả ở hình vẽ cho thấy, sai số do đa đường gây ra đối... có sai số đa đường suy giảm về mức không đáng kể khi trễ đa đường vào khoảng thì giải pháp đề xuất cho kết quả tương tự chỉ với các trễ đa đường lớn hơn Như vậy, giải pháp này chỉ chịu tác động của các tín hiệu đa đường có trễ ngắn Với các thành phần đa đường có trễ dài và trung bình, hiệu năng của giải pháp đề xuất khá tốt Hình 4.39 MEE (trái) và RAE (phải) của các giải pháp:hàm ACF, AsPECT, SCPC và. .. (SCPC) và tạo ra một hàm tương quan mới có dạng giống với hàm ACF của tín hiệu BPSK Ngoài ra còn có các giải pháp dựa trên hàm tương quan BOC – PRN cũng đã được đề xuất Tuy nhiên, với mỗi giải pháp đều tồn tại một số nhược điểm như: không 13 duy trì được những ưu điểm về búp chính hẹp phương thức điều chế BOC; có hiệu năng giảm đa đường không tốt hoặc chỉ áp dụng được với một dạng điều chế BOC; các . nhiều tính hiệu định vị mới. Trong khi tín hiệu định vị của hệ thống GPS thế hệ I sử dụng phương thức điều chế BPSK, các tín hiệu định vị mới sử dụng một phương thức điều chế mới gọi là điều chế. định vị Số liệu định vị Số liệu định vị Đồng bộ tín hiệu Đồng bộ tín hiệu Phần cứng Phần mềm Bộ thu cứng Bộ thu mềm SDR Bộ thu mềm lý tưởng Hình 1.3. Kiến trúc tổng quát của bộ thu. trình bám đồng bộ tín hiệu định vị, các mạch vòng bám mã DLL chịu tác động của một số nguồn gây sai số chủ yếu như: tạp âm nhiệt, tín hiệu đa đường và độ sai động của tín hiệu. 2.2.1. Điều kiện