- 17 1.2.1 Cấu trúc tín hiệu GPS. - 17 1.2.2 Cấu trúc tín hiệu Galileo. - 40 2.2.3 Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự /số ADC. - 12 Bảng 1: Bảng tín hiệu hệ thống GNSS. - 17 Hình 1.8: Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS[2. - 19 Hình 1.9: Cấu trúc tín hiệu vệ tinh[2. - 20 Hình 1.11: Cấu trúc tín hiệu Galileo. - Tín hiệu trong theo dõi mã. - Sóng mang cục bộ đồng pha với tín hiệu vào. - 82 Hinh 5.2: Hoàn chỉnh mô phỏng tín hiệu GPS cho một vệ tinh thực hiện trong Simulink. - 84 Hình 5.3: Các tín hiệu GPS giả thực hiện trong Simulink. - Liên tục phát quảng bá các bản tin dẫn đường trên tín hiệu vệ tinh đến máy thu GPS (mang thông tin vị trí của vệ tinh và thời điểm phát bản tin. - LUẬN VĂN CAO HỌC Nguyễn Thành Chung 13BKTTT.KH CB Phần điều khiển : Phần điều khiển là để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũng như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh hệ thống GPS. - Sau đó các trạm con gửi thông tin đã được hiệu chỉnh trở lại, để các vệ tinh biết được vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu. - Phần cứng( theo dõi tín hiệu và trị đo khoảng cách. - Phần mềm( các thuật toán, giao diện người sử dụng) LUẬN VĂN CAO HỌC Nguyễn Thành Chung 13BKTTT.KH CB Các quá trình điều hành Hình 1.7: Hệ thống GPS với 3 phân hệ[2] 1.1.2 Hoạt động cơ bản Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu mang thông tin xuống Trái Đất. - Về bản chất, máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được tín hiệu tại bộ thu. - Máy thu GPS phải khóa được với tín hiệu của ít nhất ba quả vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động của vệ tinh. - Hơn thế nữa, khi tín hiệu GPS được thu thông qua bộ thu GPS, hiểu về khả năng và những giới hạn của LUẬN VĂN CAO HỌC Nguyễn Thành Chung 13BKTTT.KH CB130532 18 các dạng bộ thu GPS khác nhau là điều cần thiết. - Mỗi vệ tinh GPS đều phát đi tín hiệu vô tuyến được tạo thành từ hai tần số sóng mang (hoặc là sóng sin). - Hình 1.8: Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS[2] Hình 1.9: Cấu trúc tín hiệu vệ tinh[2] LUẬN VĂN CAO HỌC Nguyễn Thành Chung 13BKTTT.KH CB130532 20 Hình 1.10: Bảng mã C/A[2] 1.2.2 Cấu trúc tín hiệu Galileo Hệ Galileo là một dự án để làm một hệ định vị toàn cầu bằng vệ tinh. - Hai trung LUẬN VĂN CAO HỌC Nguyễn Thành Chung 13BKTTT.KH CB130532 21 tâm điểu khiển vệ tinh được đặt tại châu Âu và hàng chục trạm phát và thu tín hiệu được đặt rải rác trên toàn cầu. - Với hệ Galileo chúng ta có thể bắt được tín hiệu của Galileo tại cả 2 vùng này. - LUẬN VĂN CAO HỌC Nguyễn Thành Chung 13BKTTT.KH CB130532 22 Nhờ có đồng hồ nguyên tử chính xác đặt trên những vệ tinh để xác định thời gian và nhờ có nhiều vệ tinh nên hầu như ở bất cứ địa điểm nào trên trái đất và bất cứ lúc nào cũng có thể bắt được tín hiệu của Galileo. - Thời gian tín hiệu phát từ những vệ tinh đến trái đất cũng có thể bị thay đổi khi truyền qua tầng khí quyển. - Các vệ tinh Galileo sẽ truyền 10 tín hiệu khác nhau theo các băng tần : E5a và E5b MHz),E và E1-L1-E . - Máy thu GPS nhận tín hiệu từ vệ tinh xác định vị trí vệ tinh và thời gian nhận được bản tin dẫn đường từ máy thu. - Máy thu GPS tính toán thời gian truyền tín hiệu dựa vào sự chênh lệch giữa thời điểm phát và thu tín hiệu. - Anten nhận tín hiệu vệ tinh đến, chuyển đổi năng lượng của tín hiệu thành dòng điện, và sau đó, bộ thu sẽ xử lý tín hiệu thu được. - Trước khi kích hoạt AS, bộ thu này có khả năng xuất ra tất cả những thành phần tín hiệu GPS (sóng mang L1 và L2, mã C/A, mã P trên cả L1 và L2, và thông điệp điều hướng). - Do đó, bộ thu không thể xuất ra ngoài mã P hoặc là sóng mang L2 sử dụng kỹ thuật thu tín hiệu truyền thống. - Hình 2.1 : Cấu trúc bộ thu GPS 2.1.2 Phân loại máy thu theo kiến trúc, đặc điểm từng loại 2.1.2.1 Bộ thu ngoại sai và trung tần số (Heterodyne & digital-IF) Bộ thu ngoại sai chuyển đổi các tín hiệu nhận được từ anten sang trung tần bằng cách sử dụng bộ trộn hạ tần. - Bộ thu mới cho phép giải điều chế các tín hiệu AM sử dụng một bộ tạo dao động nội được đồng bộ về tần số với tần số mang của tín hiệu mong muốn. - Tín hiệu thu được có thể chuyển đổi trực LUẬN VĂN CAO HỌC Nguyễn Thành Chung 13BKTTT.KH CB130532 32 tiếp sang băng tần cơ sở, tại đó tất cả các nhiễu không mong muốn sẽ được loại bỏ bằng bộ lọc thông thấp (LPF). - Sử dụng quá trình xử lí tín hiệu số sẽ cải thiện độ linh hoạt thiết kế và thúc đẩy sự phát triển của cấu trúc có khả năng LUẬN VĂN CAO HỌC Nguyễn Thành Chung 13BKTTT.KH CB130532 35 mở rộng, khả năng tích hợp cao và chi phí thấp của các công nghệ xử lí CMOS. - Theo định lý lấy mẫu của Shannon, tín hiệu s(t) với độ rộng băng tần B có thể được tái tạo từ các mẫu s(n) với tỷ lệ Nyquist 2B mẫu/giây, sử dụng công thức: sin[2 ( )]2. - (2.1) LUẬN VĂN CAO HỌC Nguyễn Thành Chung 13BKTTT.KH CB130532 36 Tùy theo vị trí của độ rộng băng tần tín hiệu thì các tình huống khác nhau có thể được mô tả. - Ngay cả khi tần số lấy mẫu nhỏ hơn nhiều so với tần số vô tuyến RF thì bộ lấy mẫu và bộ ADC cũng có thể đòi hỏi một công suất tiêu thụ lớn.Nếu tín hiệu cao tần được chia thành 2 đường, mỗi đường được lấy mẫu giống nhau ở tần số fs dẫn đến một dải tần LUẬN VĂN CAO HỌC Nguyễn Thành Chung 13BKTTT.KH CB130532 37 xác định tại băng cơ sở. - Tín hiệu sau khi lọc qua bộ LNA. - Mỗi tín hiệu bất kì đều biểu diễn dạng cầu phương ( I+ jQ)ejwt. - Mục đích của LNA là khuyếch đại tạp âm thấp tín hiệu đầu vào máy thu trong khi sự suy giảm C/No là ít nhất có thể . - RF/IF: Là nơi diễn ra quá trình xử lí tín hiệu tương tự cần thiết. - Một bộ dao động nội giảm tín hiệu xuống trung tần. - Các thành phần dung kháng và LUẬN VĂN CAO HỌC Nguyễn Thành Chung 13BKTTT.KH CB130532 45 cảm kháng cần thiết cho trong bước này sẽ làm tăng chi phí, tạo ra tạp âm trong tín hiệu và làm giảm tính linh động của trang thiết bị. - Qua máy thu, các tín hiệu vệ tinh sẽ được biến đổi thành dữ liệu mang các thông tin về vị trí, vận tốc, và thời gian. - Hình 4.1 Kiến trúc bộ thu GPS truyền thống và bộ thu GPS SDR 4.1 Anten và tiếp đầu ngoại vi LUẬN VĂN CAO HỌC Nguyễn Thành Chung 13BKTTT.KH CB130532 57 Tín hiệu GPS sau khi được truyền qua không gian sẽ tạo ra một điện áp trong các phần tử. - Thiết bị này sẽ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành các mẫu số. - Một kênh máy thu Việc dò sóng (acquisition) đem lại các ước tính thô của các tham số tín hiệu. - 4.3.1 Mục đích Mục đích của dò sóng là để xác định các vệ tinh nhìn thấy và các giá trị tần số sóng mang cùng với pha mã thô của các tín hiệu vệ tinh. - Đặc biệt, chúng ta cần phải xác định được tần số tín hiệu để có thể tạo một tín hiệu mang cục bộ để loại bỏ sóng mang tới khỏi tín hiệu. - Tín hiệu tới ban đầu được nhân với chuỗi PRN được tạo cục bộ. - Sau khi nhân với chuỗi PRN, tín hiệu này tiếp tục được nhân với một tín hiệu sóng mang cục bộ. - Nếu nhân với tín hiệu sóng mang cục bộ, kết quả sẽ là tín hiệu đồng phaI. - Sơ đồ khối của thuật toán dò sóng tuần tự LUẬN VĂN CAO HỌC Nguyễn Thành Chung 13BKTTT.KH CB130532 61 Các tín hiệu I và Q được tích phân trong 1ms, tương ứng với chiều dài một mã C/A. - Trong trường hợp lý tưởng, mã C/A chỉ được điều chế trên phần I của tín hiệu. - Tuy nhiên, trong trường hợp này, tín hiệu I được tạo ra ở vệ tinh không nhất thiết phải phù hợp với tín hiệu I được giải điều chế. - Đầu ra là một kết quả của phép tương quan giữa tín hiệu tới và tín hiệu được tạo cục bộ. - Đỉnh tại pha mã C/A = 359 chip và tần số = 9.5475 MHz.[9] LUẬN VĂN CAO HỌC Nguyễn Thành Chung 13BKTTT.KH CB Dò sóng dò tìm pha mã song song Mục đích của dò sóng là thực hiện một tương quan giữa tín hiệu tới và một mã PRN. - Tín hiệu tới được nhân bởi một tín hiệu mang cục bộ. - Các tín hiệu I và Q được kết hợp để tạo một tín hiệu đầu vào phức x(n. - Tín hiệu này được tạo như sau: Bộ tạo mã PRN tạo ra một mã không có pha mã. - Sơ đồ giải điều chế bản tin định vị Hình 4.8mô tả sơ đồ giải điều chế tín hiệu vào để thu bản tin định vị. - Đầu tiên, tín hiệu đầu vào được nhân với một bản sao sóng mang. - Việc làm này sẽ loại bỏ sóng mang khỏi tín hiệu. - Bước tiếp theo, tín hiệu được nhân với một bản sao mã và đầu ra của phép nhân này là bản tin định vị. - Nếu chuỗi dữ liệu định vị được gọi là Dk(t) thì tín hiệu tổng được đưa ra như sau: [9. - Tín hiệu này sau đó được lấy mẫu bởi bộ ADC. - Tín hiệu từ vệ tinh k sau khi biến đổi ADC có thể được biểu diễn như sau. - s, n chỉ ra rằng tín hiệu là rời rạc theo thời gian. - Để nhận dữ liệu định vị Dk(n) từ tín hiệu trên, tín hiệu phải được chuyển đổi xuống băng cơ sở. - Sóng mang được loại bỏ nhờ phép nhân tín hiệu đầu vào với một bản sao của sóng mang như hình 4.8. - Thành phần sau của tín hiệu bị loại bỏ bởi bộ lọc thông thấp. - Tín hiệu sau khi qua bộ lọc thông thấp là. - Việc này được thực hiện bằng phép lấy tương quan tín hiệu với một bản sao mã cục bộ. - Nếu bản sao mã giống hệt với mã trong tín hiệu thì đầu ra của tương quan là. - (4.10) Ở đây NDk(n) là bản tin định vị được nhân bởi số điểm trong tín hiệu N. - Mô tả trên đây của việc giải điều chế chỉ thực hiện cho một tín hiệu với một vệ tinh. - LUẬN VĂN CAO HỌC Nguyễn Thành Chung 13BKTTT.KH CB130532 67 Trong sơ đồ giải điều chế hình 4.8, hai bản sao tín hiệu cục bộ được yêu cầu. - Để theo dõi một tín hiệu sóng mang, chúng ta thường dùng các vòng khóa pha (PLL) hoặc các vòng khóa tần (FLL). - Hai phép nhân sẽ tách sóng mang và mã PRN khỏi tín hiệu đầu vào. - Sóng mang cục bộ có thể là một bản sao chính xác của sóng mang tín hiệu vào. - Mạch vòng Costas sử dụng để theo dõi sóng mang Với φ là độ lệch pha của tín hiệu vào và bản sao cục bộ của sóng mang. - Khi tín hiệu được theo dõi đúng thì tổng vector Ik và Qktrở LUẬN VĂN CAO HỌC Nguyễn Thành Chung 13BKTTT.KH CB130532 70 về nằm thẳng trên trục I. - Sau DLL sẽ lấy tương quan tín hiệu đầu vào với ba bản sao của mã, như hình 4.13. - Sau đó tín hiệu được nhân với ba bản sao mã. - Tín hiệu trong theo dõi mã Ba mã cục bộ được tạo và lấy tương quan với tín hiệu tới. - Hình 4.16 minh họa cho trường hợp pha của bản sao sóng mang lệch so với pha của tín hiệu tới. - Trường hợp này là một kết quả của các tần số khác nhau cho tín hiệu và các bản sao. - Đây không phải là trường hợp bản sao sóng mang không được hiệu chỉnh phù hợp với tần số và pha của tín hiệu tới. - (4.22) “Thời gian bộ thu” là thời gian tương đối khi thu nhận tín hiệu từ mỗi vệ tinh và nó tạo ra khoảng giả tương ứng. - LUẬN VĂN CAO HỌC Nguyễn Thành Chung 13BKTTT.KH CB130532 81 CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN KHỐI DÕ SÓNG BỘ THU TRỰC TIẾP ỨNG DỤNG SDR Chương này sẽ đưa ra bài toán cụ thể, đi sâu tìm hiểu thuật toán khối dòsóng hay bắt tín hiệu sử dụng pha mã song song. - Sau đây em sẽ tiến hành mô phỏng khối dò sóng tín hiệu (Acquisition). - Biểu đồ luồng được thực hiện trên Matlab được biểu diễn ở hình dưới đây: LUẬN VĂN CAO HỌC Nguyễn Thành Chung 13BKTTT.KH CB130532 82 Hình 5.1.Biểu đồ luồng thuật toán dò tìm pha mã song song Chức năng dò sóng tín hiệu GPS với bước tần số 0.5KHz. - 7 KHz - Ngưỡng xác định vệ tinh dò được: AcqThreshold = 2.5 - Số kênh bộ thu: Channels = 12 - Tín hiệu tới: Tín hiệu từ đầu ra bộ ADC. - 1023 chip của mã C/A được thực hiện theo sơ đồ bộ tạo mã C/A[9] Chức năng dò sóng tín hiệu GPS với bước tần số 0.5KHz. - Tín hiệu đầu vào file signal data được tạo bởi bộ giả lập simulator LUẬN VĂN CAO HỌC Nguyễn Thành Chung 13BKTTT.KH CB130532 84 Hinh 5.2: Hoàn chỉnh mô phỏng tín hiệu GPS cho một vệ tinh thực hiện trong Simulink. - Phần A tạo ra C / A mã, Phần B chứa các thế hệ dữ liệu chuyển hướng, và Phần C tạo ra sự đơn giản P (Y) code.[9] LUẬN VĂN CAO HỌC Nguyễn Thành Chung 13BKTTT.KH CB130532 85 Hình 5.3: Các tín hiệu GPS giả thực hiện trong Simulink.Mô phỏng này bao gồm bốn vệ tinh khác nhau và lưu các dữ liệu trong một tập tin. - Hình vẽ cũng chỉ ra rằng vệ tinh số 2 là vệ tinh có tín hiệu mạnh nhất. - Kết quả mô phỏng còn đưa ra chi tiết các thông số của các vệ tinh dò được như sau: LUẬN VĂN CAO HỌC Nguyễn Thành Chung 13BKTTT.KH CB130532 87 Hình 5.5: Các thông số cần thiết của quá trình dò sóng Chương trình mô phỏng tiếp theo cho ta cái nhìn chi tiết hơn về tín hiệu vệ tinh nhìn được, ta sẽ thấy đỉnh tại vị trí code phase và tần số sóng mang, còn các giá trị khác đỉnh rất thấp do tính chất của hàm tương quan. - Từ kết quả trên ta thấy vệ tinh số 10 ứng với mã PRN10 là một vệ tinh dò được tín hiệu
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt