Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG AMPS VÀ BÀI TOÁN HIỆU CHUẨN Như đã biết, các hệ thống AMPS có khả năng thực hiện đồng thời nhiều chức năng nhiệm vụ khác nhau. Khả năng đó dựa trên cơ sở thay đổi nhanh chóng và chính xác các tham số về hình dạng, vị trí không gian và thiết lập đồng thời nhiều GĐH phát, GĐH thu một cách độc lập theo yêu cầu đặt ra. Đặc biệt là đối với GĐH thu, tính đa chức năng có được là nhờ vào việc xử lý tín hiệu trên miền số và kiểm soát tốt tham số pha và biên độ của các MĐTP. Do vậy, bài toán hiệu chuẩn, kiểm soát những tham số trên có ý nghĩa quyết định trong việc đảm bảo các tính năng của hệ thống AMPS.
Trong chương này, luận án trình bày tổng quan về hệ thống AMPS cùng với các phương pháp hiệu chuẩn cơ bản. Trong đó, nội dung quan trọng của chương tập trung nghiên cứu, phân tích đặc điểm và các giải pháp hiệu chuẩn TGT hệ thống AMPS của các công trình đã được công bố. Trên cơ sở đó, đề xuất các nội dung cần tập trung nghiên cứu, đó là: nghiên cứu cấu trúc mới của tập THHC kênh thu, cùng với cách thức phân phối chúng cho từng kênh thu độc lập sao cho giải pháp đề xuất khắc phục được một số hạn chế của các công trình đã công bố. Tổng quan về hệ thống AMPS 1.
Những vấn đề chung Ăng ten mảng pha (AMP) được nghiên cứu ứng dụng từ những năm 1950. Với những ưu điểm của nó so với ăng ten đơn truyền thống, AMP luôn được nghiên cứu và hoàn thiện theo thời gian. Sự phát triển của các thế hệ AMP gắn liền với sự phát triển của khoa học và công nghệ như: lý thuyết về AMP và các dạng của chúng, công nghệ vi điện tử bán dẫn, công cụ thiết kế, công cụ mô phỏng, kỹ thuật tính toán và kỹ thuật xử lý tín hiệu số. Trong các tài liệu [18, 19] đã chỉ rõ, sự phát triển này có thể phân chia thành các thế hệ với 9 (LUAN.so an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com mo (LUAN.so ba cấu trúc mảng pha cơ bản, đó là: mảng pha thụ động, mảng pha tích cực và mảng pha số.1 có vẽ minh họa cấu trúc mảng pha thụ động và mảng pha tích cực.
Trong đó, mảng pha thụ động (hình 1.1a) có cấu trúc đơn giản với chỉ một bộ phát công suất lớn và một kênh thu. Khi phát, tín hiệu phát công suất lớn được chia cho các chấn tử phát xạ, các bộ xoay pha đặt gần ăng ten được sử dụng để hình thành GĐH phát theo yêu cầu. Còn khi thu, tín hiệu thu sau từng chấn tử được xoay pha và hình thành GĐH thu ở dạng tương tự. Dễ nhận thấy rằng, cấu trúc mảng pha thụ động có ưu điểm là mối quan hệ pha và biên độ được cố định.
Tuy nhiên, ưu điểm đó cũng là nhược điểm do không thể tối ưu GĐH, nên nó có sự suy hao năng lượng rất lớn và độ nhạy thấp. Cấu trúc mảng pha thụ động (a) và mảng pha tích cực (b) Với cấu trúc mảng pha tích cực (hình 1.1b), các hạn chế trên đã được khắc phục. Theo đó, công suất phát xạ được chia ra cho các bộ khuếch đại có công suất nhỏ hơn và tiến gần tới các phần tử ăng ten. Điều này làm giảm đáng kể suy hao năng lượng và tăng độ nhạy hệ thống.
Tuy nhiên, do việc hình thành GĐH vẫn ở dạng tương tự nên hệ thống có giá thành cao và gặp nhiều phức tạp trong quá trình thiết kế. Hơn nữa, dạng của GĐH được hình thành không phải là dạng đa búp nên cần nhiều thời gian để quan sát hết toàn bộ vùng quan sát và không thể phát hiện mục tiêu trong thời gian thực. Những hạn chế này đã được giải quyết với việc sử dụng cấu trúc mảng pha số.so an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com mo (LUAN.so Hiện nay, giai đoạn mảng pha số đang được hoàn thiện và ứng dụng rộng rãi do những ưu điểm của nó so với các cấu trúc mảng pha tương tự [18]. Có hai cấu mảng pha số cơ bản: một là mảng pha số mức phân mảng (là sự kết hợp của cả mảng pha tích cực và mảng pha số) và hai là mảng pha số mức phần tử.2 chỉ rõ cấu trúc hai mảng pha số trên.
Cấu trúc AMPS mức phân mảng (a) và mức phần tử (b) Cấu trúc mảng pha số mức phân mảng (hình 1.2a) thường sử dụng khi số phần tử phát xạ lớn, việc tổng hợp GĐH thu gặp nhiều khó khăn. Khi đó, mảng được chia thành các phân mảng và mỗi phân mảng hoạt động độc lập như một mảng pha tích cực. Sau đó, tín hiệu đầu ra của các phân mảng được số hóa để thực hiện tổng hợp búp sóng số. Với AMPS có số phần tử phát xạ không quá lớn, cấu trúc mức phần tử được sử dụng (hình 1.2b), ở đó việc tạo tín hiệu và thu/số hóa được thực hiện trên từng phần tử riêng biệt.
Với sự phát triển của công nghệ tích hợp và giải thuật tính toán, quá trình hình thành GĐH sẽ được thực hiện trên miền số. Việc xoay pha và hiệu chỉnh biên độ tín hiệu được thực hiện trên miền số, hình dạng GĐH có thể được thiết lập, điều chỉnh theo yêu cầu trong thời gian thực và có thể hình thành nhiều búp sóng đồng thời mà không bị tổn hao tín hiệu như mảng pha tích cực với GĐH tương tự. Trong thực tế, mảng pha số phổ biến hiện nay có dạng GĐH khi phát là tương tự, GĐH khi thu là số. GĐH khi phát là một búp sóng bao trùm toàn bộ không gian cần quan sát, GĐH khi thu được thực hiện trên miền số với nhiều 11 (LUAN.so an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com mo (LUAN.so búp sóng được hình thành đồng thời trong thời gian thực nhằm nâng cao khả năng quan sát so với các AMP truyền thống [24-29].
Phương pháp hình thành GĐH thu số Trong hệ thống AMPS, GĐH thu được hình thành trên miền số. Đây là quá trình thực hiện cộng có trọng số tín hiệu đầu ra kênh thu của các MĐTP [19], bằng việc điều khiển các mối quan hệ pha và biên độ để tạo ra các mẫu GĐH theo yêu cầu. Xét hệ AMPS tuyến tính với N kênh thu số như trên hình 1. Mảng pha tuyến tính N kênh thu Gọi d là khoảng cách giữa các phần tử ăng ten; α, λ lần lượt là góc tới, bước sóng của tín hiệu; S ( n ) , X ( n ) lần lượt là tín hiệu số dạng phức đầu ra ở góc tới α và hàm truyền phức của kênh thu thứ n (n = 0…N-1).
Vậy pha tín hiệu ở đầu vào kênh thu thứ n là ( 2 nd sin / ) , do đó S ( n ) có dạng: S ( n ) X ( n )exp( j 2 ndsin / ) (1.1) Biểu thức hình thành GĐH thu ở góc có dạng như sau: N 1 Y( ) W ( n )S ( n ) (1.2) n 0 Trong đó, W ( n ) exp( j2 nd sin / ) là hệ số trọng số phức.so an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com mo (LUAN.so Từ biểu thức (1.3) cho thấy nếu góc tín hiệu tới trùng với góc của GĐH ( ) thì Y( ) đạt giá trị lớn nhất. Đó chính là ý nghĩa của việc hình thành GĐH để phát hiện ra hướng của nguồn tín hiệu thu. Qua mô phỏng, ta có GĐH của mảng ăng ten tuyến tính với 4 kênh thu, khoảng cách d / 2 , ở các góc = 0o, 20o, 50o như trên hình 1. GĐH ở các góc 0 o ,20 o ,50 o Nếu nhận N giá trị rời rạc khác nhau, đặt d sin / k / N , biểu thức (1.2) biến đổi như sau: N 1 Y( k ) S ( n )exp( j2 kn / N ) (1.4) chính là phép biến đổi FFT của N tín hiệu phức S ( n ).
Đó chính là cách thức hình thành GĐH thu số phổ biến hiện nay. Trên đây là những luận điểm chính về AMP nói chung và AMPS nói riêng. Bài toán hình thành GĐH có rất nhiều cách giải khác nhau tùy thuộc vào các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Từ biểu thức toán học (1.3) cho thấy, mức độ chính xác của GĐH được quyết định bởi tham số pha và biên độ của hàm truyền phức X ( n ).
Đây là các tham số mà hệ thống cần phải kiểm soát trong quá trình hoạt động và là nội dung chính của bài toán hiệu chuẩn. Phần tiếp theo 13 (LUAN.so an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com mo (LUAN.so sẽ phân tích các nguồn gây sai số và ảnh hưởng của chúng đến sự hình thành GĐH và các phương pháp hiệu chuẩn phổ biến được ứng dụng hiện nay. Những nguồn gây sai số và các phương pháp hiệu chuẩn cơ bản 1. Tổng hợp những nguồn gây sai số trong hiệu chuẩn GĐH của AMP được hình thành trên cơ sở của việc thiết lập mối quan hệ các tham số pha và biên độ trên mặt mở ăng ten của mỗi phần tử bức xạ.
Ưu điểm của việc hình thành GĐH như vậy cũng chính là nguyên nhân phát sinh những sai lệch so với hệ thống lý tưởng khi triển khai vào thực tế. Sự sai lệch của các tham số so với hệ thống lý tưởng có thể dẫn tới việc suy giảm nghiêm trọng hiệu suất của hệ thống. Các nguồn gây sai lệch trong mảng pha STT Tác nhân Nguyên nhân gây sai lệch - Độ dài đường truyền tín hiệu không đồng nhất - Can nhiễu giữa các kênh - Xuất hiện một số phần tử bị hỏng Tác nhân phần - Sai lệch vị trí của các chấn tử phát xạ 1 cứng - Dung sai thiết kế, chế tạo các mạch điện, linh kiện điện tử - Sự lão hóa của linh kiện theo thời gian - Sai lệch do các hệ thống đo - Sai lệch do chuẩn hóa, làm tròn tham số Tác nhân phần 2 - Sai lệch do thuật toán tính toán mềm - Sai lệch do tốc độ tính toán - Tác động của nhiệt độ lên các linh kiện Tác nhân môi 3 - Tác động của độ ẩm môi trường làm việc trường - Tác động của áp suất 14 (LUAN.so an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com mo (LUAN.so Các sai lệch này xuất phát từ nhiều nguyên nhân như: sai lệch phần cứng, phần mềm, tác động của môi trường, công nghệ chế tạo v.