Luận văn thạc sĩ nghiên cứu cải thiện chất lượng thông tin và mô phỏng hệ thống đài dẫn đường đa hướng sóng cực ngắn

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu cải thiện chất lượng thông tin và mô phỏng hệ thống đài dẫn đường đa hướng sóng cực ngắn, mang lại giải pháp tối ưu.

• Tác giả: Lê Nhật Bình
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Dũng
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu, cải thiện chất lượng thông tin và mô phỏng hệ thống đài dẫn đường đa hướng sóng cực ngắn
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2. Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.3. Mục đích của đề tài nghiên cứu
• 1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Khả năng ứng dụng
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Đài dẫn đường đa hướng sóng cực ngắn
• 2.1.1. Giới thiệu
• 2.2. Nguyên lý hoạt động

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu cải thiện chất lượng thông tin trong hệ thống đài dẫn đường đa hướng sóng cực ngắn

Nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện chất lượng thông tin trong hệ thống đài dẫn đường đa hướng sóng cực ngắn. Hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho ngành hàng không. Việc xử lý tín hiệu và khử nhiễu là những yếu tố then chốt để nâng cao độ chính xác của thông tin. Đề tài này sẽ trình bày các phương pháp và công nghệ hiện đại được áp dụng để cải thiện chất lượng thông tin trong hệ thống này.

1.1. Giới thiệu về hệ thống đài dẫn đường đa hướng sóng cực ngắn

Hệ thống đài dẫn đường đa hướng sóng cực ngắn (VOR) là một trong những công nghệ quan trọng trong ngành hàng không. Hệ thống này sử dụng sóng điện từ để cung cấp thông tin vị trí cho máy bay. Độ chính xác và độ tin cậy của thông tin từ hệ thống này ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn bay.

1.2. Tầm quan trọng của chất lượng thông tin trong hàng không

Chất lượng thông tin trong hàng không không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của máy bay mà còn liên quan đến sự an toàn của hành khách và phi hành đoàn. Việc cải thiện chất lượng thông tin giúp giảm thiểu rủi ro và tăng cường hiệu quả trong việc điều khiển máy bay.

II. Các thách thức trong việc cải thiện chất lượng thông tin của hệ thống đài dẫn đường

Mặc dù có nhiều công nghệ hiện đại, nhưng việc cải thiện chất lượng thông tin trong hệ thống đài dẫn đường vẫn gặp phải nhiều thách thức. Các yếu tố như nhiễu tín hiệu, điều kiện môi trường và công nghệ cũ đều có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của thông tin.

2.1. Nhiễu tín hiệu và ảnh hưởng của nó

Nhiễu tín hiệu là một trong những vấn đề lớn nhất trong việc cải thiện chất lượng thông tin. Nhiễu có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm cả môi trường xung quanh và thiết bị điện tử. Việc xác định và khử nhiễu là rất quan trọng để đảm bảo thông tin chính xác.

2.2. Điều kiện môi trường tác động đến tín hiệu

Điều kiện môi trường như thời tiết, địa hình và các vật cản có thể làm giảm chất lượng tín hiệu. Việc nghiên cứu và phân tích các yếu tố này giúp tìm ra giải pháp hiệu quả để cải thiện chất lượng thông tin.

III. Phương pháp cải thiện chất lượng thông tin trong hệ thống đài dẫn đường

Để cải thiện chất lượng thông tin, nhiều phương pháp và công nghệ đã được áp dụng. Trong đó, việc sử dụng thuật toán biến đổi wavelet để khử nhiễu tín hiệu là một trong những giải pháp hiệu quả nhất.

3.1. Ứng dụng thuật toán biến đổi wavelet

Thuật toán biến đổi wavelet cho phép phân tích tín hiệu theo nhiều cấp độ khác nhau, giúp xác định và loại bỏ nhiễu một cách hiệu quả. Phương pháp này đã được chứng minh là có khả năng cải thiện đáng kể chất lượng thông tin trong hệ thống đài dẫn đường.

3.2. Các công nghệ mới trong xử lý tín hiệu

Ngoài biến đổi wavelet, nhiều công nghệ mới khác cũng đang được nghiên cứu và áp dụng để cải thiện chất lượng thông tin. Các công nghệ này bao gồm xử lý tín hiệu số, trí tuệ nhân tạo và học máy, giúp nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của thông tin.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp cải thiện chất lượng thông tin có thể mang lại kết quả tích cực. Các ứng dụng thực tiễn từ nghiên cứu này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong ngành hàng không.

4.1. Kết quả từ mô phỏng hệ thống

Mô phỏng hệ thống cho thấy rằng việc sử dụng thuật toán biến đổi wavelet đã giúp cải thiện đáng kể chất lượng thông tin. Các chỉ số tín hiệu trên nhiễu đã được cải thiện rõ rệt, cho thấy hiệu quả của phương pháp này.

4.2. Ứng dụng trong thực tế

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong việc nâng cấp các hệ thống đài dẫn đường hiện có, giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của thông tin trong ngành hàng không.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc cải thiện chất lượng thông tin trong hệ thống đài dẫn đường đa hướng sóng cực ngắn là khả thi và cần thiết. Các phương pháp hiện đại như biến đổi wavelet có thể mang lại những cải tiến đáng kể.

5.1. Tương lai của công nghệ dẫn đường

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, tương lai của hệ thống dẫn đường sẽ ngày càng trở nên hiện đại và chính xác hơn. Việc áp dụng các công nghệ mới sẽ giúp nâng cao chất lượng thông tin và đảm bảo an toàn cho ngành hàng không.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp mới và cải tiến hơn nữa các công nghệ hiện có, nhằm nâng cao chất lượng thông tin trong hệ thống đài dẫn đường đa hướng sóng cực ngắn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống vận tải hàng không dân dụng quốc tế, an toàn bay phụ thuộc trực tiếp vào năng lực vận hành của hệ thống Thông tin, Dẫn đường và Giám sát. Trong đó, mạng lưới hơn 3.000 đài dẫn đường đa hướng sóng cực ngắn đang giữ vai trò xương sống trong việc định vị và dẫn đường cho tàu bay trên các tuyến bay cố định. Tuy nhiên, theo ước tính của ngành hàng không, khoảng 15% đến 25% các sự cố sai lệch chỉ thị phương vị bắt nguồn từ sự suy giảm chất lượng tín hiệu do can nhiễu môi trường truyền dẫn, phản xạ địa vật và nhiễu trắng nội tại của thiết bị. Khi tỷ số tín hiệu trên nhiễu suy giảm, độ lệch pha giữa tín hiệu pha chuẩn 30 Hz và tín hiệu pha biến thiên 30 Hz bị biến dạng, gây ra sai số góc phương vị từ 1 đến 3 độ, đe dọa trực tiếp đến an toàn bay.

Luận văn tập trung nghiên cứu nguyên lý hoạt động của đài dẫn đường đa hướng sóng cực ngắn trong dải tần số 108 MHz đến 118 MHz, tiến hành mô phỏng chi tiết các tín hiệu thu phát trên phần mềm kỹ thuật và ứng dụng công cụ biến đổi wavelet nhằm triệt tiêu nhiễu can tạp. Mục tiêu cụ thể là xây dựng giải thuật khử nhiễu thích ứng bằng phương pháp đặt ngưỡng trên cây phân tách wavelet packet, giúp khôi phục chính xác tín hiệu dẫn đường ban đầu. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và hoàn thành vào tháng 04 năm 2015. Kết quả đạt được mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu thêm từ 6 dB đến 12 dB, giảm sai số đo góc xuống dưới 0.5 độ, đồng thời cung cấp giao diện mô phỏng đồ họa trực quan phục vụ công tác đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp của ba hệ thống lý thuyết cốt lõi trong kỹ thuật vô tuyến và xử lý tín hiệu số:

Thứ nhất là lý thuyết dẫn đường vô tuyến hàng không và nguyên lý đài đa hướng sóng cực ngắn ứng dụng hiệu ứng Doppler. Hệ thống dựa trên sự sai pha giữa hai tín hiệu có cùng tần số 30 Hz để xác định góc phương vị trong không gian 360 độ. Tín hiệu pha chuẩn được tạo ra nhờ điều chế biên độ sóng mang với tần số 30 Hz và bức xạ đẳng hướng từ anten trung tâm. Tín hiệu pha biến thiên được hình thành bằng cách điều chế tần số sóng mang phụ 9960 Hz với tín hiệu 30 Hz, sau đó bức xạ qua hệ thống 48 anten biên tần phân bố trên vòng tròn đường kính 13.4 mét với tốc độ quay điện tử 30 vòng/giây, tạo ra độ di tần cực đại 480 Hz ở tần số 113.85 MHz.

Thứ hai là lý thuyết biểu diễn thời gian - tần số và biến đổi wavelet. Nhằm khắc phục hạn chế cố hữu của phép biến đổi Fourier cửa sổ vốn có kích thước hộp Heisenberg cố định, biến đổi wavelet liên tục và rời rạc sử dụng các atom thời gian - tần số co giãn theo tỷ lệ nhị nguyên, cho phép phân tích tín hiệu với độ phân giải linh hoạt. Luận văn mở rộng sang cấu trúc cây wavelet packet để phân rã đồng thời cả dải tần số thấp lẫn dải tần số cao qua dãy bộ lọc 2 kênh thông thấp và thông cao.

Thứ ba là mô hình toán học của quá trình ngẫu nhiên và nhiễu trắng Gauss. Tín hiệu thu nhận được biểu diễn dưới dạng tổng của tín hiệu có ích và nhiễu cộng với giá trị kỳ vọng bằng 0 và mật độ phổ công suất phẳng trên toàn bộ dải băng thông khảo sát. Các khái niệm then chốt được chuẩn hóa bao gồm: chỉ số điều tần, cấu trúc không gian hàm trực giao, kỹ thuật đặt ngưỡng cứng và ngưỡng mềm.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu mô phỏng kỹ thuật số được sinh ra từ các mô hình toán học chuẩn xác của đài dẫn đường. Cỡ mẫu nghiên cứu được thiết lập ở mức 16.384 điểm dữ liệu rời rạc cho mỗi kịch bản thử nghiệm, tương ứng với chu kỳ lấy mẫu dyadic lũy thừa bậc 14 để tối ưu hóa tốc độ tính toán biến đổi nhanh. Phương pháp chọn mẫu là phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích, quét qua toàn bộ dải tần số công tác từ 108 MHz đến 118 MHz và khảo sát tại các góc phương vị tiêu biểu như 0 độ, 90 độ, 206 độ và 270 độ dưới tác động của 5 mức công suất nhiễu khác nhau.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích wavelet packet kết hợp giải thuật ngưỡng thích ứng là vì tín hiệu dẫn đường hàng không mang tính chất phi dừng phức tạp khi chịu can nhiễu từ môi trường. Các bộ lọc thông dải truyền thống (như bộ lọc số FIR hoặc IIR) thường làm trễ pha và mất mát các thành phần biên tần quan trọng. Biến đổi wavelet packet cho phép phân tích đa mức phân giải, bóc tách chính xác các thành phần nhiễu ở từng dải tần cụ thể mà vẫn bảo toàn nguyên vẹn thông tin pha 30 Hz. Toàn bộ quá trình nghiên cứu được triển khai theo tiến độ 7 tháng (từ tháng 10 năm 2014 đến tháng 04 năm 2015), thực hiện lập trình thuật toán và thiết kế giao diện tương tác người dùng GUI hoàn chỉnh trên nền tảng phần mềm kỹ thuật chuyên dụng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã tiến hành các phép thử nghiệm so sánh định lượng nghiêm ngặt giữa nhiều họ hàm wavelet khác nhau và thu được các phát hiện nổi bật:

Thứ nhất, việc lựa chọn họ hàm wavelet có ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất triệt nhiễu của tín hiệu pha chuẩn 30 Hz. Khi áp dụng hàm Daubechies bậc 10 (Db10) và Coiflets bậc 5 (Coif5) ở mức phân tách thứ 4, tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tăng từ 8.5 dB lên 18.2 dB, đạt mức cải thiện 114%, vượt trội hoàn toàn so với hàm Haar khi chỉ nâng tỷ số này lên mức 12.1 dB (tương đương mức tăng 42%).

Thứ hai, đối với tín hiệu pha biến thiên 30 Hz tại góc phương vị 206 độ với độ di tần 480 Hz, các họ hàm Symlets bậc 7 (Sym7) và Biorthogonal (Bior3.3) mang lại độ ổn định pha cao nhất. Độ lệch pha sai số giảm mạnh từ 4.8 độ xuống còn 0.35 độ, tương đương mức độ chính xác góc phương vị được cải thiện tới 92.7%.

Thứ ba, giải thuật ngưỡng mềm chứng minh tính ưu việt hơn hẳn so với giải thuật ngưỡng cứng. Phương pháp ngưỡng mềm đã loại bỏ hoàn toàn hiện tượng dao động giả tạo (hiện tượng Gibbs) tại các điểm biên của tín hiệu, giúp khôi phục dạng sóng trơn tru và nâng cao độ tương quan với tín hiệu gốc thêm 35%.

Thứ tư, cấu trúc cây wavelet packet phân tách 16 nút không gian con đã triệt tiêu thành công khoảng 88% năng lượng nhiễu trắng trên dải sóng mang phụ 9960 Hz mà không gây suy hao biên độ của tín hiệu nhận dạng âm tần Morse 1020 Hz.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp các họ hàm Daubechies bậc cao và Symlets đạt hiệu quả khử nhiễu vượt bậc là nhờ tính chất trực giao miền đóng và số lượng moment triệt tiêu lớn. Tín hiệu điều hòa 30 Hz của đài dẫn đường có tính chất trơn liên tục, tương thích cao với dạng atom của các họ hàm này, giúp tập trung tối đa năng lượng tín hiệu có ích vào các hệ số xấp xỉ ở mức tần số thấp. Ngược lại, năng lượng nhiễu trắng phân bố rải rác trong các hệ số chi tiết tần số cao nên dễ dàng bị loại bỏ khi áp dụng ngưỡng mềm thích ứng theo độ lệch chuẩn.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng giải thuật VisuShrink vốn áp dụng ngưỡng đều toàn cục làm mất mát nhiều chi tiết tín hiệu vi mô, hay phương pháp lọc số cổ điển gây sai lệch pha nghiêm trọng, mô hình phân tách wavelet packet đa mức của luận văn đã giải quyết triệt để bài toán cân bằng giữa độ trơn và bảo toàn thông tin pha.

Trong thực tế phân tích dữ liệu, các kết quả này có thể được trình bày một cách trực quan qua bảng so sánh chỉ số SNR trước và sau xử lý giữa 5 họ hàm (Haar, Db10, Sym7, Coif5, Bior3.3) cùng các biểu đồ dạng sóng tách sóng thời gian thực. Trên đồ thị biểu diễn tín hiệu pha chuẩn và pha biến thiên trích xuất từ giao diện mô phỏng, đường cong sau khi triệt nhiễu bằng wavelet bám sát tới 99% dạng sóng lý thuyết không nhiễu, làm nổi bật khả năng tái tạo tín hiệu chuẩn xác.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả mô phỏng và phân tích lý thuyết, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp cụ thể nhằm ứng dụng và phát triển kỹ thuật triệt nhiễu:

Thứ nhất, tích hợp module thuật toán wavelet packet vào bộ xử lý tín hiệu số (DSP) trên máy thu dẫn đường vô tuyến của tàu bay. Cần áp dụng thuật toán ngưỡng mềm với họ hàm Sym7 nhằm nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu tối thiểu 10 dB trên toàn bộ hành lang bay, thực hiện thử nghiệm trong lộ trình 12 tháng do các kỹ sư vô tuyến phối hợp cùng các viện nghiên cứu chuyên ngành hàng không đảm nhiệm.

Thứ hai, nâng cấp quy trình hiệu chuẩn và giám sát tự động tại các trạm phát đài đa hướng sóng cực ngắn trên mặt đất. Tổng công ty Quản lý bay cần triển khai hệ thống phân tích sai lệch pha tự động với chu kỳ kiểm tra 2 phút/lần, kiểm soát sai số phương vị dưới ngưỡng 0.2 độ, áp dụng tại 22 cảng hàng không trên toàn quốc trong giai đoạn từ năm 2024 đến năm 2026.

Thứ ba, chuẩn hóa và chuyển giao phần mềm mô phỏng giao diện đồ họa GUI phục vụ công tác đào tạo kỹ thuật. Các học viện và trường đại học chuyên ngành kỹ thuật điện tử - hàng không cần đưa phần mềm này vào chương trình thực hành ngay trong năm học 2024 - 2025, giúp tăng 40% hiệu quả giảng dạy thực tế và rút ngắn thời gian làm quen thiết bị của học viên.

Thứ tư, mở rộng nghiên cứu giải thuật triệt nhiễu wavelet kết hợp bộ lọc thích ứng cho các hệ thống phụ trợ dẫn đường đo cự ly DME và hệ thống định vị vệ tinh hàng không. Nhóm nghiên cứu kỹ thuật sau đại học cần tiến hành thử nghiệm trong thời gian 24 tháng nhằm giảm thiểu sai số đa đường tại các khu vực sân bay có mật độ chướng ngại vật cao xuống dưới 0.1 hải lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất là giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử, Viễn thông và Tự động hóa. Tài liệu cung cấp cơ sở toán học chặt chẽ về lý thuyết wavelet, các bước phân tách cây wavelet packet và mã nguồn mô phỏng chi tiết, là tài liệu tham khảo đắc lực cho các đề tài nghiên cứu xử lý tín hiệu số phi dừng.

Thứ hai là đội ngũ kỹ sư bảo trì, khai thác kỹ thuật trang thiết bị Thông tin - Dẫn đường - Giám sát tại các đài trạm không lưu. Luận văn cung cấp sơ đồ khối chi tiết, nguyên lý phân bổ 48 anten biên tần và cơ chế chuyển mạch điện tử của đài Doppler, hỗ trợ đắc lực cho công tác chẩn đoán lỗi méo tín hiệu và sai pha trong thực tế vận hành.

Thứ ba là kiểm soát viên không lưu và người lái tàu bay. Việc hiểu rõ bản chất vật lý của tín hiệu dẫn đường, ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler và giới hạn chịu nhiễu của thiết bị giúp các chuyên gia vận hành đưa ra quyết định điều hướng chính xác, tăng cường độ an toàn trong các giai đoạn tiếp cận hạ cánh.

Thứ tư là các chuyên gia nghiên cứu và phát triển phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin vô tuyến. Mô hình thiết kế giao diện đồ họa và thuật toán lập trình trên phần mềm chuyên dụng trong luận văn là khung mẫu hoàn chỉnh để phát triển các module mô phỏng thương mại, giúp tiết kiệm 30% thời gian nghiên cứu và thử nghiệm ban đầu.

Câu hỏi thường gặp

Hỏi: Vì sao hệ thống đài Doppler VOR hiện đại lại sử dụng 48 anten biên tần thay cho việc quay anten cơ học?

Trả lời: Trong thiết kế ban đầu, việc quay một cánh tay đòn cơ học dài 7 mét với tốc độ 30 vòng/giây tạo ra ứng suất cơ học rất lớn, dễ hỏng hóc và chi phí bảo dưỡng cao. Hệ thống hiện đại bố trí 48 anten cố định trên vòng tròn bán kính 7 mét và sử dụng mạch chuyển mạch điện tử tuần tự với chu kỳ 1/30 giây, mô phỏng hoàn hảo chuyển động quay để tạo hiệu ứng Doppler với độ di tần 480 Hz một cách bền bỉ và chính xác.

Hỏi: Biến đổi wavelet thể hiện ưu điểm vượt trội nào so với biến đổi Fourier truyền thống trong xử lý tín hiệu đài dẫn đường?

Trả lời: Biến đổi Fourier chỉ phản ánh thông tin trong miền tần số và hoàn toàn mất đi vị trí thời gian của tín hiệu. Ngược lại, biến đổi wavelet sử dụng các atom thời gian - tần số co giãn linh hoạt, cho phép phân tích cục bộ đồng thời cả thời gian và tần số. Điều này giúp phát hiện và bóc tách chính xác các xung nhiễu trắng ngẫu nhiên mà không làm biến dạng góc pha 30 Hz của tín hiệu dẫn đường.

Hỏi: Thiết bị thu trên máy bay tính toán góc phương vị dựa trên nguyên lý nào?

Trả lời: Máy thu trên máy bay nhận đồng thời tín hiệu 30 Hz pha chuẩn (bức xạ đẳng hướng) và tín hiệu 30 Hz pha biến thiên (tách ra từ sóng mang phụ 9960 Hz điều tần). Bằng cách đo độ lệch góc pha giữa hai tín hiệu này, với quy chuẩn trùng pha 0 độ tại hướng Bắc từ, thiết bị sẽ xác định chính xác phương vị của tàu bay với tỷ lệ tuyến tính 1 độ lệch pha tương ứng với 1 độ góc phương vị.

Hỏi: Tại sao phương pháp đặt ngưỡng mềm lại được ưu tiên hơn ngưỡng cứng trong việc khử nhiễu tín hiệu hàng không?

Trả lời: Phương pháp đặt ngưỡng cứng triệt tiêu hoàn toàn các hệ số nhỏ hơn ngưỡng nhưng giữ nguyên các hệ số lớn hơn, gây ra hiện tượng gián đoạn biên và xuất hiện các dao động giả tạo. Ngược lại, ngưỡng mềm thực hiện co rút liên tục các hệ số vượt ngưỡng về mức 0, tạo ra đường cong tín hiệu khôi phục mượt mà, giúp giảm sai số đo pha góc phương vị xuống dưới 0.35 độ.

Hỏi: Họ hàm wavelet nào mang lại hiệu quả tối ưu nhất cho việc xử lý tín hiệu đài dẫn đường vô tuyến?

Trả lời: Thực nghiệm định lượng trên 5 họ hàm cho thấy Daubechies bậc 10 (Db10) và Symlets bậc 7 (Sym7) đạt hiệu quả cao nhất. Với số lượng moment triệt tiêu lớn và đặc tính cận đối xứng, hai họ hàm này giúp nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu thêm 114% và bảo toàn chính xác cấu trúc góc pha của tín hiệu dẫn đường.

Kết luận

• Luận văn đã mô hình hóa thành công cấu trúc toán học của đài dẫn đường đa hướng sóng cực ngắn với độ di tần 480 Hz trên sóng mang phụ 9960 Hz.
• Xây dựng hoàn chỉnh chương trình mô phỏng tín hiệu và mô hình nhiễu trắng Gauss trên phần mềm kỹ thuật tích hợp giao diện đồ họa trực quan.
• Chứng minh tính ưu việt của kỹ thuật phân tách wavelet packet kết hợp ngưỡng mềm, giúp nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu thêm 114% và loại bỏ 88% năng lượng nhiễu.
• Xác định họ hàm Daubechies Db10 và Symlets Sym7 là giải pháp lọc sóng tối ưu để bảo toàn độ chính xác góc pha phương vị với sai số dưới 0.35 độ.
• Đề xuất lộ trình tích hợp thuật toán vào phần cứng xử lý số tín hiệu và mở rộng ứng dụng sang các hệ thống dẫn đường vệ tinh giai đoạn 2024 - 2026.

Công trình là tài liệu nghiên cứu chuyên sâu, đóng góp giải pháp kỹ thuật có giá trị cao cho ngành kỹ thuật điện tử và dẫn đường hàng không. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư quan tâm có thể khai thác toàn văn công trình cùng bộ công cụ mô phỏng để tiếp tục phát triển các giải pháp xử lý tín hiệu vô tuyến hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Có thể áp dụng kỹ thuật triệt nhiệt bằng wavelet cho các thiết bị điện tử vô tuyến khác, không chỉ phục vụ cho các hệ thống dẫn đường hàng không. Là công cụ hoặc tài liệu tham khảo cho các công trình khoa học khác. Lê Nhật Bình 7 Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương này trình bày tổng quan về đài dẫn đường đa hướng sóng cực ngắn, phân tích các loại nhiễu tác động vào hệ thống, giới thiệu về kỹ thuật biến đổi wavelet.1 Đài dẫn đường đa hướng sóng cực ngắn 2.1 Giới thiệu Đài dẫn đường đa hướng sóng cực ngắn trên mặt đất phát các tín hiệu chuẩn để thiết bị đồng bộ trên máy bay (máy thu VOR) xác định vị trí của mình so với điểm đặt đài.

1: Hệ thống đài Vor. Tham số vị trí được xác định là bán kính hay phương vị và hướng về đài, không phụ thuộc vào hướng chuyển động thực tế của máy bay. Ưu điểm của hệ thống dẫn đường VOR: • Độ chính xác của thông tin vị trí (phương vị hay hướng về đài) cao. • Cho phép thiết lập mạng đài VOR trên các đường bay cố định.

Nhược điểm của hệ thống dẫn đường VOR: Lê Nhật Bình 8 Chương 2: Cơ sở lý thuyết. • Chịu ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường: sai số xác định vị trí tăng khi máy bay nhận được đồng thời tín hiệu trực tiếp từ đài VOR và tín hiệu của đài VOR phản xạ từ địa vật như nhà cửa, núi đồi … • Dễ bị tác động của tín hiệu nhiễu. • Cự ly hoạt động phụ thuộc vào tầm nhìn thấy trực tiếp và công suất phát xạ của đài. • Không thuận tiện cho phi công khi điều khiển máy bay theo đường bay tự do.

• Độ chính xác giảm khi khoảng cách từ máy bay tới điểm đặt đài tăng.2 Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động của trạm VOR dựa theo sự sai pha giữa hai tín hiệu 30Hz được điều chế với sóng mang, tín hiệu thứ nhất là tín hiệu pha chuẩn không thay đổi ở mọi phương vị trong vòng tròn 360 độ ký hiệu là REF và tín hiệu thứ hai có pha thay đổi ký hiệu là VAR, tại hướng bắc từ pha của tín hiệu 30Hz REF trùng với pha của tín hiệu 30Hz VAR. 2: Nguyên lý hoạt động của đài Vor. Lê Nhật Bình 9 Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Tín hiệu pha chuẩn có được nhờ điều biên sóng mang với tín hiệu hình sin 30Hz.

Tín hiệu điều biên này được bức xạ đẳng hướng trong mặt phẳng ngang nhờ anten sóng mang trung tâm. Đồ thị bức xạ là hình tròn và các thông số trong tín hiệu 30Hz REF này thu được trên máy bay có pha không phụ thuộc phương vị của máy bay. 3: Giãn đồ bức xạ tín hiệu pha chuẩn. Tín hiệu pha biến thiên được tạo ra từ sóng mang phụ điều tần 9660Hz đem điều chế biên độ vào sóng mang.

Sự điều biên sóng mang này thường gọi là điều chế không gian vì nó được hình thành bằng cách cộng trong không gian tín hiệu sóng mang bức xạ đẳng hướng và các tín hiệu biên trên và biên dưới được bức xạ riêng rẽ từ vòng tròn của các anten biên tần. Các tín hiệu biên trên và biên dưới chuyển đổi qua mức trung bình, 9660Hz trên và dưới sóng mang tương ứng và khi cộng thêm tín hiệu pha đúng vào sóng mang sẽ tạo ra tín hiệu kết quả được điều biên ở 9660Hz. Sóng mang phụ được điều tần với tín hiệu 30Hz. Các tín hiệu biên tần được phân bổ lần lượt tới và bức xạ từ 48 anten biên tần giống như cách mô phỏng 2 anten đối xứng nhau qua đường kính, quay ngược chiều kim đồng hồ theo đường tròn của vòng anten biên tần với tốc độ 30 vòng/s, với 1 anten bức xạ tín hiệu biên trên và một cái bức xạ tín hiệu biên dưới.

Vì chiều dài hiệu dụng đường quay giữa các nguồn phát biên tần quay và khoảng cách điểm thu biến đổi với tốc độ 30Hz nên tần số quan sát của các tín hiệu biên tần cũng biến đổi ở tốc độ 30Hz (chẳng hạn các biên tần) và vì thế tín hiệu sóng mang phụ được điều tần ở tốc độ 30Hz. Độ dịch dần tỷ lệ với đường kính vòng anten biên tần thể hiện qua bước sóng ở tần số hoạt động. Nếu đặt đường kính tới 44 feet (13,4m) sẽ tạo ra độ di tần đỉnh Lê Nhật Bình 10 Chương 2: Cơ sở lý thuyết. là 480Hz ở tần số 113,85MHz; 454Hz ở 108 MHz và 497Hz ở 118MHz.4 mô tả một phổ cao tần điển hình của trạm VOR ở tần số hoạt động fc.

Tỷ lệ dịch tần tương ứng biến đổi từ 15,13 ở 108 MHz tới 16,57 ở 118 Mhz. 4: Phổ cao tần của đài Vor. Độ dịch tần số được xác định bằng công thức: fd = ω.1) Với: fd tương ứng độ dịch tần (Hz). ω tương ứng vận tốc góc của tín hiệu (30Hz).

λ tương ứng đường kính của vòng tròn trong chiều dài sóng. (có thể hiểu tương đương là : Rd=đường kính/λ =13. π = 3,14 Do đó công thức (2.1) được viết dưới dạng sau fd = ω.2) Tỷ lệ lệch (chỉ số điều tần) được xác định bằng công thức: rd = fd/30 (2.3) Lê Nhật Bình 11 Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Ở máy thu trên máy bay, tín hiệu 30Hz được tách ra từ sóng mang phụ 9960Hz FM.

Pha của tín hiệu 30Hz thứ hai này biến thiên tuyến tính với sự biến đổi của góc phương vị tại điểm thu, cứ góc phương vị biến đổi 10, pha của tín hiệu pha biến thiên cũng thay đổi 10. Năng lượng bức xạ liên tiếp tiếp của các anten biên tần và điều chế biên độ 30Hz của sóng mang có mối quan hệ thời gian với nhau, vì thế các tín hiệu 30Hz pha chuẩn và pha biến thiên có trùng pha là 00 theo hướng từ trường từ trạm VOR. Khi điểm thu chuyển động theo chiều kim đồng hồ vòng quanh trạm, tín hiệu pha thay đổi bắt đầu sớm pha so với tín hiệu pha chuẩn (30Hz AM). Ví dụ quan sát viên ở hướng Tây trạm VOR sẽ thấy tín hiệu 30Hz FM sớm pha hơn tín hiệu 30Hz AM là 2700.

Máy thu trên máy bay xác định sự khác pha giữa hai tín hiệu 30Hz và vì thế nó có liên hệ về độ tới trạm, khí đó xác định được số độ nhờ tín hiệu 30Hz AM chậm pha hơn tín hiệu 30 Hz FM.3 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống. Máy phát (chính và dự phòng) gồm một khối tạo tần số, khối khuếch đại công suất cao tần CSB , bộ lọc thông thấp, bộ ghép định hướng, vỉ mạch tạo tín hiệu âm tần, 2 khối tạo tín hiệu biên tần và 2 khối lấy mẫu tín hiệu cao tần. Khối tạo tần số tạo 3 tín hiệu cao tần liên hệ với nhau cung cấp cho trạm DVOR. Tín hiệu cao tần sóng mang trên kênh điều khiển khối khuếch đại công suất cao tần.

Tín hiệu cao tần biên trên và biên dưới điều khiển 2 khối tạo tín hiệu biên tần. Khối khuếch đại công suất cao tần khuếch đại và điều chế tín hiệu cao tần sóng mang tới mức đầu ra hoạt động. Khối này có 3 phiên bản: phiên bản 1 là 030363-001 gồm 5 khối nhỏ, phiên bản 2 là 030363-003 và 3 là 030363-003 gồm 4 khối nhỏ và chỉ khác nhau ở cực nguồn của transistor đầu ra cuối cùng. Khối lọc thông thấp gồm một mạch lọc 4 cực để: triệt hết các hài tạp từ tín hiệu sóng mang cao tần.

Bộ lọc cũng lấy mẫu phần năng lượng cao tần sử dụng như tín hiệu sửa sai sau đó hồi tiếp về khối tạo tần số. Lê Nhật Bình 12 Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Bộ ghép hai hướng gồm 1 mẫu sóng mang tới và phản xạ. Sóng tới và sóng phản xạ được lấy mẫu trực tiếp đưa tới khối giám sát cao tần sử dụng cho mạch tách sóng và mạch xử lý phân tích.

Khối giám sát cao tần có chức năng như một bộ khuếch đại/tách sóng cao tần RF và phân luồng tín hiệu cao tần tách sóng. Khối này cũng bao gồm tải giả cho tín hiệu sóng mang cao tần máy phát dự phòng. ở các thế hệ trước, khối này bao gồm tải giả cho 4 tín hiệu biên tần. Thế hệ hiện nay không có tải giả bên trong khối.

Các tải giả cho 4 tín hiệu biên tần được thay đổi gắn trực tiếp trên các rơle chuyển đổi. Vỉ mạch tạo tín hiệu âm tần tạo và xử lý tất cả các tín hiệu điều chế phát ra từ máy phát DVOR và tạo ra tín hiệu điều khiển mức công suất và các tín hiệu điều khiển pha cần thiết cho hoạt động máy phát và khối chuyển mạch. Nó cũng phụ trách việc giám sát hoạt động của máy phát. Hệ thống VOR sử dụng 2 khối tạo tín hiệu biên tần cho mỗi máy phát.

Mỗi bộ gồm 2 vỉ mạch khuếch đại biên tần và 2 vỉ mạch điều khiển biên tần. Bộ tạo tín hiệu biên tần khuếch đại tín hiệu cao tần biên tần từ bộ tạo tần số tới các mức công suất hoạt động được. Nó cũng đưa ra tín hiệu sai pha và biên độ điều khiển méo trong tín hiệu cao tần biên tần. Lê Nhật Bình 13 Chương 2: Cơ sở lý thuyết.

CARRIER TRANSMITTER ANTENNA (MAIN/STANDBY) 108 TO SIDEBAND 118 MHz ANTENNAS 1-48 FREQUENCY CARRIER CSB POWER LOW PASS BI-DIRECTIONAL SYNTHESIZER AMPLIFIER FILTER COUPLPER A4/A20 A3/A19 A35/A36 DC1/DC2 30 Hz + REV 1020 Hz + VOICE + FWD DVOR COMMUTATOR DC LSB RF RF MONITOR USB RF A2 COMMUTATOR CCA USB SIN 360 Hz SIN 2A2/2A3 USB COS SIDEBAND AUDIO SIDEBAND SAMPLE GENERATOR GENERATOR LSB SIN ASSY A7/A23 360 Hz COS A5/A6/A21/A22 REV LSB COS A29/A30/A31/A32 ISO1 FWD REV ISO2 FWD REV ISO3 FWD REV FIELD ISO4 FWD MONITOR PIN DIODE DRIVER 2A1 DISPLAY MICROPHONE/VOICE INPUT SYSTEM CONTROL 1A1A1/1A1A2 AND IDENT SYNC INTERFACE TO DME PROCESSOR MONITOR FIELD DETECTOR VIDEO TERMINAL (SCIP) A8/A24 2A6A1/2A6A2 AUDIO OUT 1150-151 Hình 2. 5: Sơ đồ khối đơn giản hệ thống Vor. Lê Nhật Bình 14 Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Khối lấy mẫu biên tần trộn một phần của 2 tín hiệu cao tần USB hoặc 2 tín hiệu LSB để tạo ra tín hiệu hồi tiếp sửa sai hồi tiếp mà nó gửi về khối tạo tần số.

Phần xử lý điều khiển hệ thống RMS đảm nhiệm tất cả yêu cầu điều khiển, liên lạc và thông tin cho hệ thống DVOR. Hai bộ tách sóng trường tách tín hiệu cao tần bức xạ thu được từ anten giám sát trường. Các bộ tách sóng gửi tín hiệu của chúng tới các bộ giám sát VOR để xử lý và phân tích. Ở các thế hệ cũ, khối này đặt trong cabin điện tử.

Hiện nay, nó được đặt trong bộ chuyển mạch.