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

LỜI CẢM ƠN
Với lòng 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 cô trong quá 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 hoàn thành nếu
thiếu sự giúp đỡ, khuyến khích và những ý kiến đóng góp quý 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 còn nhiều thiếu sót. Rất mong thầy cô
góp ý để luận văn đƣợc hoàn hiện hơn.
Cuối cùng, em xin kính chúc các thầy, cô và gia đình luôn luôn mạnh khỏe
và thành công hơn nữa trong sự nghiệp cao quý.

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

1


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


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 mô 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


TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ TỰ
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ADC

Analog -Digital Converter

Bộ chuyển đổi Tƣơng tự - số

ASIC

ApplicationSpecificIntergratedCircuit Vi mạch tích hợp chuyên
dụng
Binary Phase Shift Keying

Tốc độ không đổi

BOC

Binary Offset Carrier

Sóng mang dịch nhị phân

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

C/A

Coarse/Acquisition

Mã C/A

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo
mã

CF

Correlation Function

Hàm tƣơng quan

DDC

Double Delta Correlator

Bộ tƣơng quan kép

DGPS

Differential Global Positioning

Hệ thống định vị toàn cầu vi

System

sai

DLL

Delay Lock Loop

Mạch vòng khóa trễ

FDMA

Frequency Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo

Access

tần số

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

GLONASS

Global Orbiting Navigation

Hệ thống định vị sử dụng vệ

Satellite System

tinh củaNga

Global Navigation Satellite System

Hệ thống định vị vệ tinh toàn

GNSS

cầu
GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

HRC

High Resolution Correlator

Bộ tƣơng quan phân giải cao

IF

Intermediate Frequency

Trung tần

LNA

Low Noise Amplifier

Bộ khuếch đại tạp âm thấp

4


LOS

Line Of Sight

Tín hiệu truyền thẳng

MBOC

Multiplex BOC

Sóng mang dịch nhị phân
phức hợp

MP

Multipath

Hiện tƣợng đa đƣờng

MEE

Multipath Error Envelope

Đƣờng bao lỗi đa đƣờng

MEO

Medium Earth Orbit

Quỹ đạo tầm trung

MET

Multipath Elimination Technique

Kỹ thuật loại trừ đa đƣờng

MGD

Multi-Gate Delay

Trễ đa tầng( tƣơng quan)

MMT

Multipath Mitigation Technology

Công nghệ giảm ảnh hƣởng
đa đƣờng

NC

Narrow Correlator

Bộ tƣơng quan hẹp

PAC

Pulse Aperture Correlator

Bộ tƣơng quan PAC

PLL

Phase Lock Loop

Vòng khóa pha

PRN

Pseudo Random Noise

Tạp âm giả ngẫu nhiên

PSD

Power Spectral Density

Mật độ phổ công suất

PSNR

Peak Signal - to - Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu cực đại trên
nhiễu

PVT

Position, Velocity, Time

Vị trí, tốc độ, thời gian

RAE

Running Average Error

Lỗi trung bình chạy

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

SBME

Slope-Based Multipath Estimator

Bộ ƣớc lƣợng đa đƣờng dựa
trên độ dốc

SDR

Vô tuyến điều khiển bằng

Software Defined Radio

phần mềm
TK

Teager – Kaiser

Toán tử TK

5

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Truyền sóng vô tuyến ............................................................................... 12
Hình 1.2. Hiện tƣợng đa đƣờng ............................................................................... 14
Hình 1.3. Các ảnh hƣởng phạm vi hẹp trong kênh vô 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 toán 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 môi 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 công 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 thông 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 không có bộ lọc........................................................................................... 59
Hình 3.7. Hàm tƣơng quan ACF của tín hiệu cosinBOC (n.n); AsPeCT và TKAsPeCT không 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

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 TKAsPeCT ..................................................................................................................... 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


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


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 thông 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 toán đó, đã có nhiều công trình
nghiên cứu đƣợc công bố.

9


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 quá 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


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 mô 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


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 thông tin nói chung đƣợc chia thành hai phƣơng pháp thông
tin cơ bản, đó là thông 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 đoán đƣợc, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn
ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Các kênh vô 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 thông tin vô
tuyến, sóng vô tuyến đƣợc truyền qua môi trƣờng vật lý có nhiều cầu trúc và vật thể
nhƣ tòa nhà, đồi núi, cây cối xe cộ chuyển động…. Nói chung quá trình truyền sóng
trong thông tin vô tuyến rất phức tạp. Quá trình này có thể chỉ có một đƣờng truyền

thẳng (LOS: line of sight), hay đa đƣờng mà không có LOS hoặc cả hai.
Máy phát

Máy thu

Hình 1.1. Truyền sóng vô tuyến

12


Tín hiệu đƣợc phát đi, qua kênh truyền vô 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 vô 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 môi trƣờng truyền sóng nhỏ hơn bƣớc sóng.
Tán xạ thƣờng xảy ra khi sóng vô 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 thông tin vô tuyến. Do đó
việc nắm vững những đặc tính của kênh truyền vô tuyến là yêu 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 thông tin vô 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


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 khôi phục lại hoặc
bị hƣ hỏng hoàn toàn. 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 không 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 tín hiệu này ngƣợc pha
180o thì tín hiệu sẽ bị triệt tiêu.

14


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 không trực tiếp gây ra di các vật phản xạ nhƣ
đồi núi và các tòa nhà. Trải góc là số đo về dịch góc của các đƣờng truyền không

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 vô tuyến

Ngoài 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


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 còn có thể
xảy ra cả trong truyền thông hữu tuyến, đặc biệt là những chỗ có trở kháng không
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 không 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 mô
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


phading chọn lọc theo thời gian. Ta có thể mô hình hóa kênh vô tuyến di động nhƣ
là một bộ lọc tuyến tính có đáp ứng xung kim thay đổi theo thời gian. Mô hình kênh
truyền thống sử dụng mô hình đáp ứng xung kim, đây là một mô hình trong miền
thời gian. Ta có thể liên hệ quá trình thay đổi tín hiệu vô 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 thông 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
toán 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 còn
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
công 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

- 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 còn đƣợc gọi là tín hiệu lấy mẫu (sampled signal).
- Tín hiệu lƣợng tử hóa (Quantified 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 thông 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 nguyên 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


Quá 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 thông có thể xảy ra tại hai quá trình: quá
trình truyền thông tin và quá trình nhận thông tin. Hiện tƣợng phi tuyến xảy ra ở
quá trình thu là hiện tƣợng tín hiệu đầu ra máy thu không 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
thông kỹ thuật số trong đó có vệ tinh, các kênh điện thoại, truyền thông 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

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 toán 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 không 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 không-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 không 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 quá 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 thông, 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


nhiễu xạ,…Hiện tƣợng truyền sóngđa đƣờng xảy ra khi môi 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


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 chòm 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. Nguyên 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 nguyên 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


.

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 toán 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


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 hoàn toàn
phƣơng pháp đo đạc truyền thống, không phụ thuộc vào thời tiết, không bị
giới hạn bởi khoảng cách, giảm tối đa yêu cầu về nhân lực lao động.
 Với công nghệ GNSS, ngƣời sử dụng có đƣợc thông 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 công tác tìm kiếm, cứu hộ ngoài 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 không, hàng hải và
trên bộ. Ngoài 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


 Tại Việt Nam, GNSS từ lâu đã đƣợc ứng dụng cho các công việc kiểm lâm,
cứu nạn. Tuy nhiên các hệ thống mới chỉ dừng ở mức độ thu nhận thông tin
về kinh độ, vĩ độ và cao độ, chƣa triển khai ứng dụng trong lĩnh vực thiết bị
dẫn đƣờng vì chƣa đƣợc tích hợp bản đồ số Việt Nam. Thời gian gần đây,
việc tạo lập bản đồ số đã có kết quả và trên thị trƣờng xuất hiện một số thiết
bị dẫn đƣờng dành cho ôtô trong giai đoạn vừa thăm dò vừa hoàn thiện sản
phẩm.
2.1.4. Hệ thống định vị toàn cầu GPS
GPS (Global Positioning System) hay còn đƣợc gọi là NAVSTAR
(Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) là hệ thống
dẫn đƣờng vệ tinh dùng để cung cấp thông tin về vị trí, tốc độ và thời gian cho các
máy thu GPS ở khắp mọi nơi trên trái đất. Hệ thống GPS có thể xác định vị trí với
sai số từ vài trăm mét đến vài centimet.
GPS bao gồm 3 phần chính: phần không gian, phần kiểm soát và phần sử
dụng. Không quân Hoa Kỳ phát triển, bảo trì và vận hành các phần không gian và
kiểm soát.
 Phần không gian bao gồm 27 vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự
phòng) nằm trên các quỹ đạo tròn xoay quanh trái đất ở khoảng cách 20.000
km. Bán kính quỹ đạo vào khoảng 26.600 km. Chúng chuyển động ổn định
và quay 2 vòng quanh quỹ đạo trong một ngày (chính xác là 11 giờ 58 phút)
với vận tốc 7000 dặm trên một giờ. 24 vệ tinh này đƣợc chia làm 6 mặt
phẳng quỹ đạo, mỗi mặt phẳng quỹ đạo gồm 4 vệ tinh đƣợc sắp xếp đều

nhau. Mỗi mặt phẳng quỹ đạo này có góc nghiêng 55 độ so với mặt phẳng
xích đạo.
 Phần kiểm soát bao gồm một trạm kiểm soát chính (MSC), một trạm kiểm
soát luân phiên, 4 anten mặt đất riêng biệt, 6 trạm giám sát riêng biệt.
 Phần ngƣời sử dụng đáp ứng nhu cầu sử dụng cho các mục đích quân sự và
dân sự, thƣơng mại và nghiên cứu khoa học. Về cơ bản thiết bị thu GPS bao

25