Tải bản đầy đủ (.docx) (74 trang)

(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu phi tuyến để nâng cao độ chính xác của máy thu GNSS khi bị ảnh hưởng của hiện tượng đa đường

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.6 MB, 74 trang )

LỜI CẢM ƠN
Với lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn các
thầy cô giáo giảng viên tại trƣờng về sự dạy bảo của thầy cơ trong q trình
em học tại trƣờng.
Em xin đặc biệt cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Khang ngƣời đã hƣớng dẫn
trực tiếp, chỉ bảo tận tình cho em. Luận văn này sẽ khó có thể hồn thành nếu
thiếu sự giúp đỡ, khuyến khích và những ý kiến đóng góp q báu của thầy.
Luận văn đƣợc thực hiện trong thời gian ngắn, mặc dù cố gắng tìm hiểu
nhƣng do kiến thức có hạn nên chắc chắn vẫn cịn nhiều thiếu sót. Rất mong
thầy cơ góp ý để luận văn đƣợc hồn hiện hơn.
Cuối cùng, em xin kính chúc các thầy, cơ và gia đình ln ln mạnh
khỏe và thành cơng hơn nữa trong sự nghiệp cao quý.

Hà Nội , ngày 20 tháng 03 năm 2016
Học viên
Vũ Đình Thành

1

download by : skknchat@gmail.com


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................................ 1
MỤC LỤC............................................................................................................................................... 2
TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ TỰ................................................................................................................. 4
DANH MỤC HÌNH VẼ..................................................................................................................... 6
DANH MỤC BẢNG BIỂU.............................................................................................................. 8
PHẦN MỞ ĐẦU.................................................................................................................................. 9
CHƢƠNG 1: Tổng quan lý thuyết hiện tƣợng đa đƣờng và kỹ thuật xử lý tín hiệu


phi tuyến............................................................................................................................................... 12
1.1. Hiện tƣợng đa đƣờng........................................................................................................ 12
1.2. Kỹ thuật xử lý tín hiệu phi tuyến................................................................................. 17
1.3. Kết luận chƣơng 1............................................................................................................... 20
CHƢƠNG 2: Nghiên cứu các giải pháp nâng cao độ chính xác của máy thu GNSS

khi bị ảnh hƣởng của hiện tƣợng đa đƣờng........................................................................ 22
2.1. Tổng quan về hệ thống định vị vệ tinh GNSS.................................................... 22
2.1.1. Khái niệm về GNSS................................................................................................ 22
2.1.2. Nguyên tắc hoạt động của GNSS.................................................................... 22
2.1.3. Các ứng dụng của GNSS.................................................................................... 23
2.1.4. Hệ thống định vị toàn cầu GPS......................................................................... 25
2.1.5. Hệ thống GLONASS.............................................................................................. 27
2.1.6. Hệ thống GALILEO................................................................................................. 29
2.1.7. Hệ thống định vị Bắc Đẩu...................................................................................... 30
2.2. Bộ thu trong hệ thống định vị sử dụng vệ tinh.................................................... 31
2.2.1. Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu GNSS......................................................... 31
2.2.2. Bộ thu mềm GNSS.................................................................................................. 36
2.3. Ảnh hƣởng của hiện tƣợng đa đƣờng lên máy thu GNSS........................... 38
2.4. Nghiên cứu các giải pháp nâng cao độ chính xác của máy thu GNSS khi bị

ảnh hƣởng của hiện tƣợng đa đƣờng................................................................................. 43

2

download by : skknchat@gmail.com


2.5. Kết luận chƣơng 2............................................................................................................... 47
CHƢƠNG 3: Ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu phi tuyến trên máy thu GNSS.

................................................................................................................................................................... 48

3.1. Điều chế BOC và giải pháp AsPeCT....................................................................... 48
3.1.1. Các đặc điểm của điều chế BOC.......................................................................... 48
3.1.2. Giới thiệu về AsPeCT............................................................................................. 54
3.2. Phƣơng pháp TK-AsPeCT.............................................................................................. 56
3.2.1. Toán tử Teager- Kaiser......................................................................................... 56
3.2.2. TK-AsPeCT................................................................................................................. 57
3.3. Kết quả mô phỏng............................................................................................................. 58
3.3.1. Các đặc tính của kết quả mơ phỏng của bộ so pha................................. 58
3.3.2. Ảnh hƣởng của hiệu ứng đa đƣờng................................................................. 63
3.4. Kết luận chƣơng 3............................................................................................................... 67
KẾT LUẬN........................................................................................................................................... 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................ 72

3


download by : skknchat@gmail.com


TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ TỰ
Từ viết tắt
ADC
ASIC

BOC
BPSK
C/A
CDMA

CF
DDC
DGPS
DLL
FDMA
FFT
GLONASS
GNSS

GPS
HRC
IF
LNA

4

download by : skknchat@gmail.com


LOS

Line Of S

MBOC

Multiplex

MP

Multipath


MEE

Multipath

MEO

Medium

MET

Multipath

MGD

Multi-Ga

MMT

Multipath

NC

Narrow C

PAC

Pulse Ap

PLL


Phase Lo

PRN

Pseudo R

PSD

Power S

PSNR

Peak Sig

PVT

Position,

RAE

Running

RF

Radio Fr

SBME

Slope-Ba


SDR

Software

TK

Teager –

5

download by : skknchat@gmail.com


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Truyền sóng vơ tuyến............................................................................................... 12
Hình 1.2. Hiện tƣợng đa đƣờng................................................................................................. 14
Hình 1.3. Các ảnh hƣởng phạm vi hẹp trong kênh vơ tuyến.................................... 15
Hình 2.1. Cấu trúc chung của hệ thống định vị vệ tinh................................................ 23
Hình 2.2. Cấu trúc GPS............................................................................................................... 26
Hình 2.3. Vệ tinh GPS.................................................................................................................. 27
Hình 2.4. Cấu trúc GLONASS................................................................................................. 28
Hình 2.5. Vệ tinh GLONASS..................................................................................................... 29
Hình 2.6. Cấu trúc của bộ thu GNSS tiêu biểu................................................................ 32
Hình 2.7. Sơ đồ khối thuật tốn tìm kiếm song song theo pha mã......................... 34
Hình 2.8. Cấu trúc tổng quát của bộ thu cứng, bộ thu mềm SDR và bộ thu mềm lý

tƣởng...................................................................................................................................................... 36
Hình 2.9. Truyền sóng từ vệ tinh GNSS tới bộ thu GNSS trong mơi trƣờng đa
đƣờng..................................................................................................................................................... 40

Hình 3.1. Dạng sóng của sineBOC (n, n) (Trên) và cosin BOC (n, n) (Dƣới).......50
Hình 3.2. Mật độ phổ cơng suất của của tín hiệu BPSK, sinBOC (n, n) và cosin

BOC (n, n)........................................................................................................................................... 51
Hình 3.3. Hàm ACF của các tín hiệu điều chế với các giá trị khác nhau của băng

thông bộ lọc........................................................................................................................................ 54
Hình 3.4. Hàm tƣơng quan AsPeCT với hai băng thơng khác nhau của bộ lọc ......55
Hình 3.5. Mã theo dõi MEE cho truyền thống tín hiệu sin BOC(n, n) và AsPeCT 56

Hình 3.6. Hàm tƣơng quan ACF của tín hiệu sin BOC(n.n); AsPeCT và TKAsPeCT khơng có bộ lọc............................................................................................................. 59
Hình 3.7. Hàm tƣơng quan ACF của tín hiệu cosinBOC (n.n); AsPeCT và TKAsPeCT khơng có bộ lọc............................................................................................................ 60
Hình 3.8. TK-AsPeCT S-curve cho sine BOC(n.n)...................................................... 62
Hình 3.9. TK-AsPeCT S-curve cho cosin BOC(n.n).................................................... 63

6

download by : skknchat@gmail.com


Hình 3.10. MEE cho các tín hiệu truyền thống sin BOC(n,n), AsPeCT và TKAsPeCT................................................................................................................................................ 64
Hình 3.11. MEE cho các tín hiệu truyền thống cosin BOC(n,n), AsPeCT và TK-

AsPeCT................................................................................................................................................ 65
Hình 3.12. RAE tƣơng ứng với sine BOC (n, n) với tín hiệu TK-AsPeCT, AsPeCT,

và phƣơng pháp truyền thống...................................................................................................... 66
Hình 3.13. RAE tƣơng ứng với cosin BOC(n, n) với tín hiệu TK-AsPeCT,
AsPeCT, và phƣơng pháp truyền thống................................................................................... 67


7

download by : skknchat@gmail.com


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Ƣu nhƣợc điểm của bộ thu mềm GNSS:........................................................ 37
Bảng 2.2 Phân loại các giải pháp giảm nhiễu đa đƣờng theo số lƣợng bộ tƣơng quan

sử dụng trong bộ so pha của mạch vòng DLL................................................................. 47

8

download by : skknchat@gmail.com


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
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 đƣợc hiện đại hóa hoặc triển khai
mới với việc bổ sung thêm nhiều tính hiệu định vị mới. Do các ứng dụng sử
dụng các dịch vụ đƣợc cung cấp bởi các hệ thống định vị sử dụng vệ tinh
ngày càng phát triển và đòi hỏi về chất lƣợng 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 hƣởng của truyền dẫn đa đƣờng
cũng liên tục đƣợc nghiên cứu, đề xuất và triển khai.Vì vậy em chọn đề tài
“Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu phi tuyến để nâng cao độ chính xác
của máy thu GNSS khi bị ảnh hưởng của hiện tượng đa đường”.
2. Lịch sử nghiên cứu

Trong quá trình tín hiệu định vị lan truyền từ vệ tinh tới bộ thu GNSS, các
tín hiệu định vị phải chịu tác động của các tác nhân gây sai số nhƣ: sai số do tầng
điện ly, sai số do tầng đối lƣu, sai số do hiện tƣợng truyền dẫn đa đƣờng (gọi tắt là
nhiễu đa đƣờng). Những sai số này đã tác động đáng kể đến hiệu năng hoạt động
của bộ thu định vị.Đối với sai số do tầng điện ly và sai số do tầngđối lƣu, các bộ
thu định vị sẽ áp dụng kỹ thuật vi sai trong đó bộ thu định vị sẽ hiệu chỉnh vịtrí
thơng qua so sánh vị trí tính đƣợc của bộ thu với một vị trí chuẩn của trạm tham
chiếu hoặc sử dụng các bộ thu hai tần số.Nhƣng với sai số nhiễu đađƣờng, kỹ
thuật vi sai không đem lại hiệu quả do tác động mang tính ngẫu nhiên, riêng
biệttới từng bộ thu định vị của nhiễu đa đƣờng. Với những lí do trên, sai số nhiễu
đa đƣờng tiếptục trở thành một loại sai số chính trong bộ thu và rất khó khắc
phục một cách triệt để.Bài toán lớn đặt ra cho các nhà nghiên cứu là: Phải loại bỏ
đƣợc nhiễu đa đƣờng để nâng cao hiệu quả định vị cho bộ thu GNSS. Để giải
quyết bài tốn đó, đã có nhiều cơng trình nghiên cứu đƣợc công bố.

9

download by : skknchat@gmail.com


3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu.
Mục đích nghiên cứu:
Trên cơ sở nhìn nhận tầm quan trọng của việc nâng cao hiệu năng, chất
lƣợng của máy thu GNSS đồ án này đã đƣợc xây dựng với mục đích góp phần vào
nhóm giải pháp kỹ thuật để cải thiện độ chính xác cho các bộ thu GNSS.Các nội
dung đề xuất đều hƣớng tới một mục tiêu chung là khắc phục ảnh hƣởngnhiễu đa
đƣờng đối với hoạt động của bộ thu GNSS khi hoạt động đơn điểm.

Đối tƣợng nghiên cứu
Bộ thu GNSS và các giải pháp giảm ảnh hƣởng của nhiễu đa đƣờng lên

bộ thu. Cùng với sự phát triển của các hệ thống GNSS, các tín hiệu định
vịmới đã đƣợc triển khai và các tín hiệu này đã sử dụng một phƣơng thức điều
chế mới, điềuchế BOC. Đây là những dạng điều chế tín hiệu đƣợc các hệ thống
GPS và Galileo sử dụng cho các tín hiệu định vị mới. Hầu hết các hệ thống
GNSS triển khai sử dụng phƣơng thức điều chế BOC cho các tín hiệu định vị
mới trong giai đoạn phát triển và hiện đại hóa.Đồ án tập trung vào các tín hiệu
định vị mới sử dụng phƣơng pháp điều chế BOC nhƣ BOC(n,n) pha sin hoặc pha
cosin vì những ƣu điểm của tín hiệu này trong q trình đồng bộ tín hiệu cũng
nhƣ khả năng giảm nhiễu đa đƣờng của chính bản thân tín hiệu đó.
Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu đặc tính của các tín hiệu định vị mới sử dụng phƣơng pháp
điều chế BOCnhƣ: hàm tự tƣơng quan của tín hiệu, hàm tƣơng quan của tín hiệu
BOC với mã giảngẫu nhiên PRN.
4. Các luận điểm cơ bản

Đồ án gồm có ba chƣơng, chứa những nội dung chính nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan lý thuyết hiện tƣợng đa đƣờng và kỹ thuật xử
lý tín hiệu phi tuyến.
Chƣơng 2: Nghiên cứu các giải pháp nâng cao độ chính xác của máy thu
GNSS khi bị ảnh hƣởng của hiện tƣợng đa đƣờng.Chƣơng này giới thiệusơ lƣợc về
hệ thống định vị sử dụng vệ tinh (gọi tắt là GNSS) và phân tích cấu trúc của bộ

10

download by : skknchat@gmail.com


thuGNSS.Phần tiếp theo của chƣơng phân tích sơ lƣợc nhữngảnh hƣởng của
hiện tƣợng đa đƣờng đến hiệu năng hoạt động của bộ thu GNSS. Từ đó đề ra
các giải pháp giảm ảnh hƣởng của hiện tƣợng đa đƣờng.

Chƣơng 3: Ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu phi tuyến trên máy thu
GNSS.Chƣơng 3 đề cập đến việc đề xuất một số giải pháp nhằm tránh nguy cơ bám
nhầm đỉnh tƣơng quan khi thực hiện đồng bộ tín hiệu định vị dạng điều chế BOC.
Phần đầu củachƣơng nghiên cứu, phân tích đề từ đó đề xuất giải pháp chống bám
nhầm áp dụng cho tínhiệu định vị dạng BOC(n,n) pha sin và pha cosin.
5.

Phƣơng pháp nghiên cứu:

Do còn những hạn chế về thời gian và hiểu biết của bản thân nên đồ án tập
trung vào phân tích, nghiên cứu các kết quả đạt đƣợc của các giải pháp đề xuất mới
ở dạng mô phỏng, chứ chƣa triển khai, thực thi đƣợc các mơ phỏng hay kiểm

nghiệm trên các bộ thu thật. Vì vậy, em mong nhận đƣợc sự góp ý của các
thầy cô và các bạn để phục vụ thêm cho công tác học tập và nghiên cứu của
mình trong tƣơng lai.

11

download by : skknchat@gmail.com


CHƢƠNG 1: Tổng quan lý thuyết hiện tƣợng đa đƣờng và kỹ

thuật xử lý tín hiệu phi tuyến
1.1. Hiện tƣợng đa đƣờng
Các phƣơng tiện thơng tin nói chung đƣợc chia thành hai phƣơng pháp
thơng tin cơ bản, đó là thơng tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến. Mạng thông tin
vô tuyến ngày nay đã trở thành một phƣơng tiện thông tin chủ yếu, thuận tiện
cho cuộc sống hiện đại.

Chất lƣợng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi
mà tín hiệu đƣợc truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống nhƣ kênh truyền hữu
tuyến là ổn định và có thể dự đốn đƣợc, kênh truyền vơ tuyến là hồn tồn ngẫu
nhiên và khơng hề dễ dàng trong việc phân tích. Các kênh vơ tuyến là các kênh
mang tính ngẫu nhiên, nó có thể thay đổi từ các đƣờng truyền thẳng đến các đƣờng
bị che chắn nghiêm trọng đối với các vị trí khác nhau. Trong thơng tin vơ tuyến,
sóng vơ tuyến đƣợc truyền qua mơi trƣờng vật lý có nhiều cầu trúc và vật thể nhƣ tòa
nhà, đồi núi, cây cối xe cộ chuyển động…. Nói chung q trình truyền sóng

trong thơng tin vơ tuyến rất phức tạp. Q trình này có thể chỉ có một đƣờng
truyền thẳng (LOS: line of sight), hay đa đƣờng mà khơng có LOS hoặc cả hai.
Máy phát

Máy thu

Hình 1.1. Truyền sóng vơ tuyến

12

download by : skknchat@gmail.com


Tín hiệu đƣợc phát đi, qua kênh truyền vơ tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi
non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ….Phản xạ xảy ra khi sóng vơ tuyến

đập vào các vật cản có kích thƣớc lớn hơn nhiều so với bƣớc sóng. Nói chung
phản xạ gây ra do bề mặt của quả đất, núi và tƣờng của tòa nhà. Nhiễu xạ xảy
ra do sóng điện từ gặp phải các bề mặt sắc cạnh và các thành gờ của các cấu
trúc. Tán xạ xảy ra khi kích thƣớc của các vật thể trong mơi trƣờng truyền sóng
nhỏ hơn bƣớc sóng. Tán xạ thƣờng xảy ra khi sóng vơ tuyến gặp phải các ký

hiệu giao thông, cột đèn. Và kết quả là ở máy thu, ta thu đƣợc rất nhiều phiên
bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh hƣởng đến chất lƣợng của hệ
thống thơng tin vơ tuyến. Do đó việc nắm vững những đặc tính của kênh truyền vơ
tuyến là u cầu cơ bản để có thể chọn lựa một cách thích hợp các cấu trúc của hệ
thống, kích thƣớc của các thành phần và các thông số tối ƣu của hệ thống.
Trong một hệ thống thơng tin vơ tuyến, các sóng bức xạ điện từ thƣờng
không truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xảy ra là do giữa nơi phát và nơi
thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do vậy, sóng nhận
đƣợc chính là sự chồng chập của các sóng đến từ nhiều hƣớng khác nhau bởi
sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác. Hiện
tƣợng này đƣợc gọi là sự lan truyền sóng đa đƣờng.
Hiện tƣợng đa đƣờng (Multipath) là hiện tƣợng khi mà tín hiệu đƣợc phát
đi bị phản xạ trên các bề mặt vật thể tạo ra nhiều đƣờng tín hiệu giữa trạm gốc
và thiết bị đầu cuối sử dụng. Kết quả là tín hiệu đến các thiết bị đầu cuối sử
dụng là tổng hợp của tín hiệu gốc và tín hiệu phản xạ.

13

download by : skknchat@gmail.com


Hình 1.2. Hiện tƣợng đa đƣờng

Hai loại đa đƣờng tồn tại: đa đƣờng phản chiếu phát sinh từ những rời
rạc, phản xạ kết hợp từ các bề mặt nhẵn nhƣ nguồn nƣớc đứng, và đa đƣờng
khuếch tán phát sinh từ tán xạ khuếch tán và các nguồn nhiễu xạ. (Các tia
sáng có thể nhìn thấy ánh sáng mặt trời ra khỏi một biển sóng vỗ bập bềnh là
một ví dụ về đa đƣờng khuếch tán).
Do hiện tƣợng đa đƣờng, tín hiệu thu đƣợc là tổng của các bản sao tín hiệu
phát. Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hƣởng lẫn nhau. Tuỳ

thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể đƣợc khơi
phục lại hoặc bị hƣ hỏng hồn tồn. Tác hại của hiện tƣợng đa đƣờng đó là các tín
hiệu sóng tới từ các hƣớng khác nhau khi tới bộ thu sẽ có sự trễ pha và vì vậy khi
bộ thu tổng hợp các sóng này tới sẽ khơng có sự phối hợp về pha. Điều này sẽ
ảnh hƣởng tới biên độ tín hiệu. Biên độ tín hiệu sẽ tăng khi các tín hiệu sóng tới
cùng pha và sẽ giảm khi các tín hiệu này ngƣợc pha. Trƣờng hợp đặc biệt nếu hai
o

tín hiệu này ngƣợc pha 180 thì tín hiệu sẽ bị triệt tiêu.

14

download by : skknchat@gmail.com


Truyền sóng đa đƣờng đã gây ra các hiệu ứng phạm vi hẹp trong thông tin
vô tuyến di động nhƣ: trải trễ, trải góc và trải Doppler. Trải trễ là số đo trễ truyền
sóng tƣơng đối giữa các đƣờng truyền sóng khơng trực tiếp gây ra di các vật
phản xạ nhƣ đồi núi và các tịa nhà. Trải góc là số đo về dịch góc của các
đƣờng truyền khơng trực tiếp so với đƣờng truyền trực tiếp. Trải Doppler là số
đo về tốc độ thay đổi kênh gây ra do sự chuyển động của máy phát hoặc (và)
máy thu so với các vật thể tán xạ trong môi trƣờng truyền sóng đa đƣờng.

Hình 1.3. Các ảnh hƣởng phạm vi hẹp trong kênh vơ tuyến

Ngồi ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh
truyền đa đƣờng và nơi thu nhận đƣợc các đáp ứng xung độc lập khác nhau. Hiện tƣơng
này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion). Hiện tƣợng méo gây ra bởi
kênh truyền đa đƣờng là tuyến tính và có thể đƣợc bù lại ở phía thu bằng các bộ cân
bằng. Một trong những tác động tiêu cực của hiện tƣợng này là fading đa đƣờng. Một

hệ quả nữa của hiện tƣợng đa đƣờng là “trải trễ” tức là khi bị phản xạ

15

download by : skknchat@gmail.com


thành nhiều tín hiệu khác nhau thì các tín hiệu sẽ đến bộ thu ở những thời
điểm khác nhau gây ra hiện tƣợng giao thoa liên ký tự(intersymbol
interference). Khi xảy ra hiện tƣợng này thì tốc độ bit sẽ tăng lên làm giảm đáng
kể chất lƣợng của hệ thống.
Trong các kỹ thuật Fax, phát sóng truyền hình, hiện tƣợng đa đƣờng
gây ra hiện tƣợng chập chờn, ảo ảnh. Hiện tƣợng ảo ảnh gây ra là do tín hiệu
đi theo một đƣờng khác dài hơn đƣờng truyền trực tiếp và gây ra trễ tín hiệu, tín
hiệu đến sau do trễ đè lên tín hiệu trƣớc và tạo ra hiện tƣợng bóng mờ.
Trong truyền thông kỹ thuật số, đa đƣờng gây ra lỗi và ảnh hƣởng tới chất
lƣợng truyền tin. Nhiễu xuyên ký tự là một ví dụ. Hiện tƣợng đa đƣờng cịn có thể
xảy ra cả trong truyền thơng hữu tuyến, đặc biệt là những chỗ có trở kháng khơng
đối xứng, gây ra sự phản xạ lại tín hiệu, ví dụ nhƣ trong đƣờng dây tải điện. Trong
các hệ thống thông tin tốc độ cao, ngƣời ta thƣờng sử dụng kỹ thuật điều chế đa
sóng mang để khắc phục nhiễu xuyên ký tự gây ra bởi hiện tƣợng đa đƣờng.

Hiện tƣợng đa đƣờng chỉ có "lợi" khi chúng ta có thể "ƣớc lƣợng" và
"tổng hợp" đƣợc tín hiệu đa đƣờng. Điều này chỉ có thể thực hiện bằng kỹ thuật
trải phổ spreading và máy thu Rake(nhƣ trong mạng CDMA và W-CDMA).
Không nên lầm lẫn giữa truyền đa đƣờng với fading đa đƣờng mặc dù hai cái
này cái trƣớc kéo theo cái sau. Truyền đa đƣờng thì cho phép mở rộng thêm cự ly
liên lạc (trong nhiều trƣờng hợp thì chỉ là tí chút) song lại kéo theo fading đa đƣờng
buộc ngƣời ta phải áp dụng hàng loạt các biện pháp mạnh khác để duy trì chất
lƣợng liên lạc ổn định trong một tỷ lệ lớn thời gian, say là 98% với các hệ thống di

động tế bào hay 99.99% với các hệ thống microwave chẳng hạn. Do tổng của rất
nhiều đƣờng truyền khơng trực tiếp trong truyền sóng đa đƣờng dẫn đến thăng giáng
biên độ tín hiệu thu vì thế gây ra phading và méo tín hiệu. Trong khi lập mơ kênh, ta
tập trung lên ảnh hƣởng truyền sóng đa đƣờng ( các ảnh hƣởng phạm vi hẹp) đối với
các máy thu và (hoặc) máy phát sử dụng nhiều anten.

Một trong số khác biệt quan trọng giữa kênh hữu tuyến và kênh vô tuyến
là các kênh vô tuyến thay đổi theo thời gian, nghĩa là chúng chịu ảnh hƣởng của

16

download by : skknchat@gmail.com


phading chọn lọc theo thời gian. Ta có thể mơ hình hóa kênh vơ tuyến di động
nhƣ là một bộ lọc tuyến tính có đáp ứng xung kim thay đổi theo thời gian. Mơ hình
kênh truyền thống sử dụng mơ hình đáp ứng xung kim, đây là một mơ hình trong
miền thời gian. Ta có thể liên hệ q trình thay đổi tín hiệu vơ tuyến phạm vi hẹp
trực tiếp với đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến di động. Nếu x(t) biểu diễn tín
hiệu phát, y(t) biểu diễn tín hiệu thu và h(t, τ) biểu diễn đáp ứng xung kim của
kênh vô tuyến đa đƣờng thay đổi theo thời gian, thì ta có thể biểu diễn tín hiệu thu
nhƣ là tích chập của tín hiệu phát với đáp ứng xung kim của kênh nhƣ sau:
y(t)=

= x(t)

h(t,τ)

trong đó t là biến thời gian, τ là trễ đa đƣờng của kênh đối với một giá trị t cố định.


1.2. Kỹ thuật xử lý tín hiệu phi tuyến
Tín hiệu là đại lƣợng vật lý biến thiên theo thời gian, không gian, theo một
hoặc nhiều biến độc lập khác, chứa đựng thông tin hay dữ liệu và có thể truyền đi
đƣợc. Nói cách khác tín hiệu là dạng vật lý của thơng tin. Tín hiệu là một dạng
vật chất có một đại lƣợng vật lý đƣợc biến đổi theo qui luật của tin tức. Về phƣơng
diện tốn học, các tín hiệu đƣợc biểu diễn nhƣ những hàm số của một hay nhiều
biến độc lập. Chẳng hạn, tín hiệu tiếng nói đƣợc biểu thị nhƣ một hàm số của thời
gian cịn tín hiệu hình ảnh thì lại đƣợc biểu diễn nhƣ một hàm số độ sáng của hai
biến số không gian. Mỗi loại tín hiệu khác nhau có các tham số đặc trƣng riêng,
tuy nhiên tất cả các loại tín hiệu đều có các tham số cơ bản là độ lớn (giá trị), năng
lƣợng và cơng suất, chính các tham số đó nói lên bản chất vật chất của tín hiệu.

Nguồn tin

Kênh tin

Nhận tin

Tín hiệu đƣợc biểu diễn dƣới dạng hàm của biên thời gian x(t), hoặc
hàm của biến tần số X(f) hay X(ω ).
Dựa vào sự liên tục hay rời rạc của thời gian và biên độ, có 4 loại tín
hiệu nhƣ sau:

17

download by : skknchat@gmail.com


- Tín hiệu tƣơng tự (Analog signal): thời gian liên tục và biên độ cũng liên
tục.

- Tín hiệu rời rạc (Discrete signal): thời gian rời rạc và biên độ liên tục.

Ta có thể thu đƣợc một tín hiệu rời rạc bằng cách lấy mẫu một tín hiệu liên tục.
Vì vậy tín hiệu rời rạc cịn đƣợc gọi là tín hiệu lấy mẫu (sampled signal).
- Tín hiệu lƣợng tử hóa (Quantifed signal): thời gian liên tục và biên độ rời

rạc. Đây là tín hiệu tƣơng tự có biên độ đã đƣợc rời rạc hóa.
- Tín hiệu số (Digital signal): thời gian rời rạc và biên độ cũng rời rạc. Đây

là tín hiệu rời rạc có biên độ đƣợc lƣợng tử hóa.
Xử lý tín hiệu là một hƣớng nghiên cứu có liên quan đến vấn đề rút trích,
thao tác và lƣu trữ thơng tin có trong các tín hiệu phức tạp. Các ứng dụng về xử
lý dữ liệu bao gồm xử lý âm thanh, giọng nói,hình ảnh và video; tín hiệu vi sinh
và y sinh; thị giác máy tính; tín hiệu tổng hợp; tín hiệu thiên văn.
Một hệ thống đƣợc gọi là tuyến tính nếu nó thỏa mãn ngun lý chồng chất
(Principle of superposition). Gọi y1(n) và y2(n) lần lƣợt là đáp ứng của hệ thống
tƣơng ứng với các tác động x1(n) và x2(n), hệ thống là tuyến tính nếu và chỉ nếu:
T{ax1(n)+bx2(n)}=aT{ax1(n)}+bT{bx2(n)}=ay1(n)+by2(n)
với a, b là 2 hằng số bất kỳ và với mọi n.

Ta thấy, đối với một hệ thống tuyến tính, thì đáp ứng của một tổng các
tác động bằng tổng đáp ứng của hệ ứng với từng tác động riêng lẻ.
Một hệ thống không thỏa mãn định nghĩa trên đƣợc gọi là hệ thống phi
tuyến (Nonliear systems).Cách kiểm tra tính chất tuyến tính:
-

Thực hiện theo hai sơ đồ sau:
So sánh hai ngõ ra, nếu bằng nhau thì là hệ tuyến tính và
ngƣợc lại là hệ phi tuyến


18

download by : skknchat@gmail.com


Q trình biến đổi tín hiệu trong thực tế thƣờng gặp một số sự phi
tuyến: mất mã (một số mã nhị phân không thể xuất hiện), phi tuyến sai phân
(chuyển tiếp lƣợng tử hóa có thể là một hàm phi tuyến của tín hiệu vào,
thƣờng đƣợc biểu diễn theo LSB), sai số độ lợi (sự thay đổi của độ dốc hàm
truyền), sai số offset (toàn bộ mã bị dịch lên hay xuống cùng một lƣợng).
Tính phi tuyến là một thuộc tính quan trọng, nhất là khi các cơ chế vật lý sinh
ra các tín hiệu đầu vào (ví dụ tín hiệu tiếng nói) vốn là phi tuyến.
Hiện tƣợng phi tuyến là hiện tƣợng tín hiệu bị méo do các tác nhân phi
tuyến gây ra. Hiện tƣợng phi tuyến trong viễn thơng có thể xảy ra tại hai q
trình: q trình truyền thơng tin và q trình nhận thơng tin. Hiện tƣợng phi
tuyến xảy ra ở quá trình thu là hiện tƣợng tín hiệu đầu ra máy thu khơng tỷ lệ
tuyến tính với tín hiệu đầu vào máy thu (hiện tƣợng méo phi tuyến). Hiện
tƣợng này do ảnh hƣởng của của độ nhạy thu và dải động của máy thu.
Hành vi phi tuyến đƣợc quan sát thấy ở gần nhƣ tất cả các hệ thống truyền
thơng kỹ thuật số trong đó có vệ tinh, các kênh điện thoại, truyền thơng di động điện
thoại di động, các thiết bị mạng LAN không dây, phát thanh, đài truyền hình, các hệ
thống kỹ thuật số có từ tính … Hệ thống phi tuyến đã đƣợc nghiên cứu một cách hệ
thống trong quá khứ, nhƣng chúng đã không đƣợc sử dụng rộng rãi trong giao tiếp do
tính phức tạp của chúng. Tính phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có: kích
thƣớc của vector tham số không rõ, đặc điểm thƣa thớt của các vector tham số, mức
độ phi tuyến, số đo có sẵn, và xác suất hàm mật độ của các đầu vào.Bộ lọc tuyến tính
ngày nay đƣợc thừa hƣởng một nền lý thuyết phong phú dựa trên đóng góp đầu tiên và
quan trọng của Gauss (1795) trên Least Squares, Wiener (1949) trên

19


download by : skknchat@gmail.com


bộ lọc tối ƣu, và Widrow (1970) về thích ứng lọc. Thuyết Bộ lọc tuyến tính đã
liên tục cung cấp nền tảng cho bộ lọc tuyến tính đƣợc sử dụng trong nhiều ứng
dụng thực tế nhƣ chi tiết trong phƣơng pháp điều trị cổ điển.
Xử lý tín hiệu phi tuyến là phƣơng pháp thống kê tập trung vào việc
thống nhất các nghiên cứu về một lớp rộng và quan trọng của các thuật tốn
xử lý tín hiệu phi tuyến trong đó nổi lên từ các nguyên tắc ƣớc lƣợng thống kê,
và nơi mà các tín hiệu cơ bản là nhiễu phi Gaussian, chứ khơng phải Gaussian.
Xử lý tín hiệu phi tuyến liên quan đến việc phân tích và xử lý tín hiệu đƣợc sản
xuất từ các hệ thống phi tuyến và có thể nằm trong miền thời gian, tần số,
hoặc các miền khơng-thời gian. Hệ thống phi tuyến có thể tạo ra các hành vi
có tính phức tạp trong đó có điểm rẽ nhánh, sự hỗn loạn, sóng hài và sóng hài
phụ mà khơng thể sản xuất hoặc phân tích đƣợc bằng phƣơng pháp tuyến tính.
Ứng dụng xử lý tín hiệu đối với tín hiệu phi tuyến nhƣ các ứng dụng khuếch
đại nhiễu nhiều lần, các bộ lọc tuyến tính hoạt động không đƣợc tốt. Những trƣờng
hợp này nên đƣa bộ lọc phi tuyến vào. Xử lý tín hiệu phi tuyến, ngƣợc lại, có những
ƣu điểm đáng kể so với xử lý tín hiệu tuyến tính truyền thống trong các ứng dụng
trong đó các q trình ngẫu nhiên cơ bản có bản chất là nhiễu phi Gaussian, hoặc
khi hệ thống hoạt động trên các tín hiệu quan tâm vốn dĩ là phi tuyến. Nó giúp
giảm sai số trung bình bình phƣơng của tín hiệu đầu ra. Thực tế đã chỉ ra rằng các
hệ thống phi tuyến và các quá trình nhiễu phi Gaussian xuất hiện trong một loạt
các ứng dụng bao gồm cả hình ảnh, teletraffic, truyền thơng, thuỷ văn, địa chất,
và kinh tế. Phƣơng pháp xử lý tín hiệu phi tuyến trong tất cả các ứng dụng nhằm
mục đích khai thác tính phi tuyến của hệ thống hoặc các đặc tính thống kê của tín
hiệu cơ bản để khắc phục đƣợc nhiều hạn chế của các phƣơng pháp truyền thống
đƣợc sử dụng trong xử lý tín hiệu.


1.3. Kết luận chƣơng 1.
Đa đƣờng là hiện tƣợng truyền sóng mà tín hiệu tới bộ thu bao gồm nhiều tia
sóng thànhphần khác nhau. Bên cạnh thành phần tia truyền thẳng (LOS), các tia
sóng khác cũng có thểtới đƣợc anten của bộ thu nhƣ tia khúc xạ, tia phản xạ, tia

20

download by : skknchat@gmail.com


nhiễu xạ,…Hiện tƣợng truyền sóngđa đƣờng xảy ra khi mơi trƣờng xung quanh bộ

thu có nhiều vật cản, chƣớng ngại vật nhƣ nhàcao tầng, cột đèn, cây cối,… Nhƣ
vậy, nếu bộ thu ở những khuvực nhƣ đô thị, khu đông dân cƣ thì hiện tƣợng truyền

sóng đa đƣờng xảy ra phổ biến. Ở chƣơng thứ hai của đồ án, ta sẽ xét các ảnh
hƣởng của hiện tƣợng đa đƣờng lên bộ thu định vị vệ tinh.

21

download by : skknchat@gmail.com


CHƢƠNG 2: Nghiên cứu các giải pháp nâng cao độ chính xác của

máy thu GNSS khi bị ảnh hƣởng của hiện tƣợng đa đƣờng.
Chƣơng này giới thiệu tổng quát về các hệ thống định vị GNSS, kiến
trúc và các nguyên tắc cơ bản trong xử lý tín hiệu của bộ thu hệ thống GNSS
nói chung và đặc điểm của bộ thu mềm GNSS nói riêng. Phần tiếp theo của
chƣơng phân tích sơ lƣợc những ảnh hƣởng của hiện tƣợngđa đƣờng đến hiệu

năng hoạt động của bộ thu GNSS, từ đó nghiên cứu các giải pháp nâng cao độ
chính xác của máy thu GNSS khi bị ảnh hƣởng của hiện tƣợng đa đƣờng.
2.1. Tổng quan về hệ thống định vị vệ tinh GNSS
2.1.1. Khái niệm về GNSS
Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (Tiếng Anh: Global Navigation
Satellite System - GNSS) là tên dùng chung cho các hệ thống định vị toàn
cầu sử dụng vệ tinh nhƣ GPS (Global Positioning System) do Mỹ chế tạo và hoạt
động từ năm 1994; Hệ thống định vị Galileo mang tên nhà thiên văn học
GALILEO do Liên minh châu Âu (EU) chế tạo; GLONASS (GLobal Orbiting
Navigation Satellite System) do Nga chế tạo và hoạt động từ năm 1995; Hệ
thống định vị Bắc Đẩu (Trung Quốc). GNSS đƣợc cấu thành nhƣ một chịm sao
(một nhóm hay một hệ thống) của quỹ đạo vệ tinh kết hợp với thiết bị ở mặt
đất. Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định đƣợc
khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính đƣợc tọa độ của vị trí đó.
2.1.2. Ngun tắc hoạt động của GNSS
Nguyên tắc hoạt động của GNSS dựa trên việc đo khoảng cách giữa
ngƣời 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
đƣợc vị trí của nó dựa trên ngun lý tam giác. GNSS hoạt động trong mọi
điều kiện thời tiết, mọi nơi trên trái đất và 24 giờ một ngày.Theo quy định phân
bổ tần số, các hệ thống GNSS truyền phát các tín hiệu định vị trên các tần số
sóng mang L1= 1575,42MHz ;L2= 1227,60 MHz ;L5= 1176,45 MHz.

22

download by : skknchat@gmail.com


.


Hình 2.1. Cấu trúc chung của hệ thống định vị vệ tinh

Bộ thu GNSS dựa trên bản tin dẫn đƣờng để xác định các thông số về
quỹ đạo của vệ tinh để từ đó tính tốn đƣợc các sai lệch về định thời cũng nhƣ
sai lệch về quỹ đạo thực tế của vệ tinh. Những thông tin này giúp bộ thu
GNSS có thể xác định ra đƣợc vị trí của nó.
Từ khi GNSS đƣợc cho phép sử dụng dân sự, các nhà khoa học ở các
nƣớc phát triển đã lao vào cuộc chạy đua để đạt đƣợc những thành quả cao
nhất trong lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng này. Hai hƣớng chủ
đạo đƣợc nhắm tới là chế tạo các máy thu tín hiệu và thiết lập các phần mềm
để sử dụng tín hiệu cho các mục đích khác nhau.
2.1.3. Các ứng dụng của GNSS
GNSS đƣợc sử dụng cho vô số các ứng dụng khác nhau. Ngày nay rất dễ
dàng nhận thấy sự hiện diện của GNSS trong mọi mặt của đời sống. Kết hợp
giữa công nghệ thông tin, hệ thống bản đồ số và thiết bị định vị vệ tinh đã tạo

23

download by : skknchat@gmail.com


thành một hệ thống dẫn đƣờng lý tƣởng. Trong lĩnh vực hàng không,
100% các máy bay thƣơng mại và quân sự sử dụng hệ thống dẫn đƣờng
tự động bằng GNSS.
Trong giao thông, hệ thống giám sát dẫn đƣờng và điều khiển giao thông
cũng đã khai thác tuyệt đối thế mạnh của GNSS đã trở thành một hợp phần
không thể thiếu trong công nghiệp ô tô, chẳng hạn nhƣ hệ thống định vị dẫn

đƣờng trong các thƣơng hiệu xe hơi nổi tiếng nhƣ Mercedes, BMW,
Porsche, Maybach, Cadillac, Audi, Roll Royce…

Trong ngành đo đạc bản đồ, sự xuất hiện của GNSS đã thay đổi hồn tồn
phƣơng pháp đo đạc truyền thống, khơng phụ thuộc vào thời tiết, không
bị giới hạn bởi khoảng cách, giảm tối đa yêu cầu về nhân lực lao động.
Với cơng nghệ GNSS, ngƣời sử dụng có đƣợc thơng tin vị trí hiện tại,
hƣớng di chuyển, độ cao hiện thời. Cá nhân cũng dễ dàng mang theo
loại máy thu GNSS nhỏ cũng có thể lắp ghép cùng điện thoại di động để
biết đƣợc vị trí mình đang đứng hay có thể theo dõi cả độ cao khi leo núi.
Các ứng dụng trên biển bao gồm đo vẽ bản đồ, công cụ dẫn đƣờng hàng
hải trên biển lý tƣởng và cơng tác tìm kiếm, cứu hộ ngồi khơi xa cũng sẽ có
hiệu quả hơn nhờ đƣợc nâng cao độ chính xác việc dẫn hƣớng đƣờng đi.

Ứng dụng chủ yếu của GNSS trong thám hiểm không gian bao gồm
việc định vị và định hƣớng bay của các phƣơng tiện không gian khác có
mang theo những máy thu phát địa lý hoặc trắc địa.
Các ứng dụng cho quân đội bao gồm dẫn hƣớng hàng khơng, hàng hải
và trên bộ. Ngồi ra, các vệ tinh của GNSS còn mang theo các bộ thu
phát để khám phá và hiển thị các vụ nổ hạt nhân.
Một ứng dụng nữa của GNSS chính là việc quản lý thú hoang dã bằng cách
gắn lên chúng những con chip đã tích hợp GNSS. Tất cả hoạt động của chúng
sẽ đƣợc kiểm soát chặt chẽ. Việt Nam cũng đang tiến hành thử nghiệm

để áp dụng vào việc quản lý đàn sếu đầu đỏ ở miền Tây…

24

download by : skknchat@gmail.com


×