(Luận án tiến sĩ) xây dựng hệ thống xử lý tín hiệu số trong hệ định vị vô tuyến luận án TS vật lý62 44 03 01

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------------------------------------

Đỗ Trung Kiên

XÂY DỰNG HỆ THỐNG XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ
TRONG HỆ ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH VẬT LÝ


MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................4
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................7
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................11
CHƢƠNG 1. CƠ SỞ KỸ THUẬT RAĐA HIỆN ĐẠI ............................................17
1.1. Các chức năng cơ bản và các kỹ thuật xử lý của rađa hiện đại ...................17
1.2. Sơ đồ khối rađa xung ..................................................................................20
Kết luận chƣơng 1 và tiếp cận mục tiêu luận án ................................................23
CHƢƠNG 2. GIA CÔNG VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU...................................................26
2.1. Gia cơng tín hiệu ..........................................................................................26
2.1.1. Tạo dạng sóng và giải pháp phát mã xen kẽ sử dụng vi điều khiển .......26
2.1.1.1. Mô phỏng kĩ thuật phát mã Barker và mã M xen kẽ ......................27
2.1.1.2. Mã điều tần tuyến tính LFM ..........................................................28
2.1.1.3. Chế tạo mạch dùng vi điều khiển PIC16F877A phát mã Barker ...30
2.1.1.4. Kết quả mã Barker đƣợc phát bởi mạch VĐK PIC16F877A .........33
2.1.2. Điều chế trung tần mã BPSK của chuỗi Barker 13 bít dùng VĐK ........36
2.1.2.1. Mơ phỏng q trình trộn mã lên trung tần ......................................36

2.1.2.2. Thiết kế và chế tạo khối trộn mã BPSK trung tần .........................37
2.2. Xử lý tín hiệu ...............................................................................................41
2.2.1. Giải pháp nâng cao tỉ số tín hiệu/tạp, độ phân giải .................................42
2.2.1.1. Sự phụ thuộc của tỉ số tín hiệu/tạp theo các thông số rađa .............42
2.2.1.2. Khảo sát bộ lọc phối hợp và hàm bất định......................................45
2.2.2. Xác suất phát hiện và xác suất báo động lầm khi có nhiễu.....................47
2.2.2.1. Một số lí thuyết về xác suất phát hiện và xác suất báo động lầm ...47
2.2.2.2. Tích lũy xung ..................................................................................50
2.2.2.3. Mơ phỏng việc tính tốn mối quan hệ giữa PD, Pfa, và tỉ số SNR ..53

1


2.2.2.4. Mơ phỏng khảo sát kỹ thuật tích lũy xung......................................54
2.2.3. Kỹ thuật nén xung tín hiệu điều chế BPSK mã Barker xen kẽ mã M ....58
2.2.4. Thiết kế, chế tạo các bộ lọc số FIR, IIR trên DSP TMS320C6416T ......63
2.2.4.1. Lí thuyết về kĩ thuật lọc số FIR và IIR ...........................................63
2.2.4.2. Một số mô phỏng về kỹ thuật lọc số ...............................................66
2.2.4.3. Thiết kế bộ lọc trên TMS320C6416T DSK ....................................68
2.2.5. Thiết kế và chế tạo A/D, D/A tốc độ cao cho DSP56307EVM ..............75
2.2.5.1. Bo xử lí tín hiệu số DSP56307EVM của hãng Motorola ...............75
2.2.5.2. Thiết kế và chế tạo A/D, D/A tốc độ cao cho DSP56307...............78
Kết luận chƣơng 2. .............................................................................................81
CHƢƠNG 3.

CHẾ TẠO TUYẾN THU PHÁT SIÊU CAO TẦN ................84

3.1. Tuyến thu .....................................................................................................84
3.1.1. Khối dao động nội sử dụng kỹ thuật tổ hợp tần số PLL .........................84
3.1.1.1. Kỹ thuật tổ hợp tần số dùng vịng khóa pha ...................................84

3.1.1.2. Thực hiện tổ hợp tần số dùng PLL bằng vi điều khiển ...................87
3.1.1.3. Các kết quả của khối tạo dao động nội cao tần ...............................91
3.1.2. Máy thu UHF ..........................................................................................93
3.1.2.1. Một số lý thuyết về máy thu siêu cao tần .......................................93
3.1.2.2. Thiết kế và chế tạo máy thu giải mã UHF ......................................97
3.2. Tuyến phát..................................................................................................101
3.2.1. Khái niệm về khuếch đại công suất cao tần ..........................................102
3.2.2. Tham số tán xạ ......................................................................................102
3.2.3. Đƣờng dây vi dải ...................................................................................105
3.2.4. Mô phỏng bằng ADS ............................................................................107
3.2.5. Thiết kế và chế tạo khối khuếch đại công suất cao tần .........................108
3.2.5.1. Công suất xung 90 W ....................................................................108
3.2.5.2. Công suất 2 tầng 45 W và 90 W ...................................................113
Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................116
KẾT LUẬN CHUNG ..............................................................................................118

2


DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN ÁN ...............................................................................................................121
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................123

3


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
A/D

Analog to Digital

Biến đổi tƣơng tự - số

ADS

Advanced Design System

Phần mềm thiết kế hệ thống của
Agilent

AGC

Automatic Gain Control

Điều khiển khuếch đại tự động

APC

Analog Pulse Compression

Nén xung tƣơng tự

BPF

Band Pass Filter

Bộ lọc dải thơng

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

CCS

Code Composer Studio

Mơi trƣờng soạn thảo mã

CW

Continuous Wave Rađa

Rađa sóng liên tục

D/A

Digital to Analog

Biến đổi số - tƣơng tự

DDC

Digital DownConverter

Bộ biến đổi xuống dạng số

DPC

Digital Pulse Compression

Nén xung số

DSK

DSP Starter Kit

Kít phát triển xử lý tín hiệu số

DSP

Digital Signal Processing

Xử lý tín hiệu số

DUT

Device Under Test

Thiết bị đang đƣợc kiểm tra

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

FIR

Finite Impulse Response

Đáp tuyến xung hữu hạn
Mã giả ngẫu nhiên

GNN
Instantaneous Automatic

Điều khiển tự động

Gain Control

khuếch đại tức thời

IF

Intermediate Frequency

Tần số trung tần

IIR

Infinite Impulse Response

Đáp tuyến xung vô hạn

LFM

Linear Frequency Modulation

Điều tần tuyến tính

LO

Local Oscillator

Dao động nội

LPF

Low Pass Filter

Bộ lọc thơng thấp

MDS

Minimum Detectable Signal

Tín hiệu có thể phát hiện nhỏ nhất

PAT

Power Amplifier Transmitter

Khối phát khuếch đại công suất

IAGC

4

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

PLL

Phase Lock Loop

Vịng khóa pha

POT

Power Oscillator Transmitter

Khối phát dao động công suất

PR

Pulsed Rađa

Rađa xung

PRA

Parabolic Reflector Antenna

Ăng-ten phản xạ pa-ra-bôn

PRF

Pulse Repetition Frequency

Tần số lặp lại xung

PRI

Pulse Repetition Interval

Khoảng lặp lại xung

RCS

Rađa Cross Section

Tiết diện rađa

RF

Radio Frequency

Tần số radio

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu / tạp

STC

Sensitivity Time Control

Điều khiển độ nhạy theo thời gian

TAGC

Timing Automatic Gain Control Điều khiển khuếch đại tự động theo
thời gian

UHF

Ultra High Frequency

Tần số siêu cao tần

VCO

Voltage Controlled Oscillator

Bộ dao động có tần số điều khiển
bằng điện áp

VĐK

Vi điều khiển

5

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Các chuỗi mã Barker .................................................................................26
Bảng 2.2 Các thơng số hệ thống của phương trình rađa ..........................................44
Bảng 2.3 Quá trình tự tương quan của mã Barker ...................................................60
Bảng 2.4 Tổ chức bộ nhớ cho các hệ số bộ lọc và mẫu tín hiệu ...............................71
Bảng 2.5 Tổ chức bộ nhớ minh họa cho việc cập nhật dữ liệu tín hiệu ....................71
Bảng 2.6 Tập hệ số của bộ lọc dải thông tần số trung tâm 2100Hz bp2100.cof ......72
Bảng 2.7 Tập hệ số lp4200.cof của bộ lọc 4 tầng IIR ...............................................74
Bảng 3.1 Các thơng số mạch dải tính tốn theo phần mềm ADS ...........................109

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Sơ đồ khối của một rađa xung....................................................................20
Hình 1.2 Phân loại khối phát rađa ...........................................................................21
Hình 1.3 Khối thu đầu cuối của rađa điển hình những năm 1990 ...........................23
Hình 1.4 Khối thu số đầu cuối của rađa hiện đại .....................................................23
Hình 2.1 Mã Barker 13 bít ........................................................................................26
Hình 2.2 Mơ hình khối tạo mã Barker và mã M phát xen kẽ ....................................27
Hình 2.3 Tín hiệu mã Barker và mã M phát xen kẽ ..................................................28
Hình 2.4 Dạng sóng điều tần tuyến tính, (a) tăng tần số, (b) giảm tần số ...............29
Hình 2.5 Mơ phỏng Matlab tín hiệu và phổ tần LFM ...............................................29
Hình 2.6 Tín hiệu LFM tần số tăng dần, chụp trên dao động kí Yokogawa Digital
Oscilloscope DL1720E ........................................................................................30
Hình 2.7 Chuỗi xung tín hiệu LFM ...........................................................................30
Hình 2.8 Sơ đồ khối của vi điều khiển PIC16F877A ................................................32
Hình 2.9 Kít phát triển dựa trên vi điều khiển PIC16F877A ....................................33

Hình 2.10 Mạch vi điều khiển PIC16F877A dùng cho phát chuỗi mã tín hiệu ........33
Hình 2.11 Các chuỗi mã Barker tạo trên PIC16F877A ...........................................34
Hình 2.12 Mã Barker 13 bít {1111100110101}, (a) độ rộng 0,8 µs, (b) 3.2 µs .......35
Hình 2.13 Chu kì lặp lại xung 1 ms, tần số lặp lại xung 1 khz .................................36
Hình 2.14 Thời gian sườn lên và sườn xuống cũng là 12ns .....................................36
Hình 2.15 Mơ hình điều chế BPSK ...........................................................................37
Hình 2.16 Điều chế khóa dịch pha nhị phân BPSK cho chuỗi mã ...........................37
Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý mạch chế tạo mã pha BPSK ..........................................38
Hình 2.18 Sơ đồ khối của HEF4052B .......................................................................38
Hình 2.19 Tín hiệu điều chế mã pha nhị phân ..........................................................39
Hình 2.20 Quá trình điều chế mã pha bằng vi điều khiển ........................................39
Hình 2.21 Mạch tạo mã pha BPSK ...........................................................................40
Hình 2.22 Tín hiệu ngược pha dùng để điều chế mã BPSK ......................................41

7


Hình 2.23 Tín hiệu điều chế BPSK của chuỗi mã Barker .........................................41
Hình 2.24 Khảo sát phương trình rađa (a) Sự phụ thuộc của Rmax vào SNRmin (b) Sự
phụ thuộc của SNR vào R ....................................................................................44
Hình 2.25 Hàm bất định của xung đơn (a,c)và LFM (b,d) .......................................46
Hình 2.26 Sơ đồ khối bộ phát hiện đường bao và bộ thu phát hiện ngưỡng ............47
Hình 2.27 Mơ tả thời gian báo động lầm ..................................................................49
Hình 2.28 PDF của nhiễu, nhiễu + tín hiệu khi Pfa = 10-2 .......................................50
Hình 2.29 Sự trở về từ mục tiêu của các mơ hình Swerling......................................52
Hình 2.30 Sự phụ thuộc của PD vào tỉ số SNR với Pfa cố định (xung đơn) ...............54
Hình 2.31 Sự phụ thuộc của Inp vào số xung được tích lũy .......................................55
Hình 2.32 Sự phụ thuộc của PD theo SNR, với Pfa = 10-12 cho 2 trường hợp khơng
tích lũy và tích lũy khơng tương can của mơ hình Swerling V ............................56
Hình 2.33 PD(SNR), Pfa = 10-12 trong Swerling I, II, III, IV cho trường hợp khơng

tích lũy và tích lũy khơng tương can ....................................................................56
Hình 2.34 PD (SNR), Pfa = 10-12 chung cho cả 5 mơ hình khi np = 1........................57
Hình 2.35 PD(SNR), Pfa = 10-12, np = 10 ...................................................................58
Hình 2.36 Hàm tương quan chéo của dãy x(n), y(n) ................................................60
Hình 2.37 Hàm tự tương quan của dãy x(n), y(n) .....................................................60
Hình 2.38 Khối nén xung tín hiệu mã xen kẽ ............................................................61
Hình 2.39 Mạch nén xung cho hai loại mã ...............................................................61
Hình 2.40 Kết quả của việc nén xung khi mức nhiễu thấp........................................62
Hình 2.41 Kết quả của việc nén xung khi mức nhiễu thấp........................................63
Hình 2.42 Ví dụ về bộ lọc thơng thấp 8 mắt lọc FIR ................................................65
Hình 2.43 Mơ phỏng bộ lọc dải thông trượt tiêu các tần số nhiễu, tăng tỉ số SNR ..66
Hình 2.44 Cấu trúc và đặc tuyến tần số của bộ lọc số .............................................67
Hình 2.45 Mơ hình các đường tín hiệu của bộ lọc....................................................68
Hình 2.46 Dạng sóng lối vào/lối ra của bộ lọc chạy trên ModelSim. ......................68
Hình 2.47 Kít phát triển TMS320C6416T DSK ........................................................70
Hình 2.48 Các khối chức năng của TMS320C6416T DSK .......................................70

8


Hình 2.49 Lối vào/ra của bộ lọc FIR (a) 2100Hz, (b) 1900Hz, (c) 2300Hz .............72
Hình 2.50 Đáp tuyến tần số của các bộ lọc FIR. ......................................................73
Hình 2.51 Đặc tuyến tần số của bộ lọc đa băng. ......................................................73
Hình 2.52 Đặc tuyến tần số của các bộ lọc IIR ........................................................75
Hình 2.53 Bo mạch DSP56307 của hãng Motorola .................................................76
Hình 2.54 Sơ đồ khối chức năng của DSP56307EVM..............................................77
Hình 2.55 Sơ đồ khối CODEC CS4218 ....................................................................78
Hình 2.56 Sơ đồ khối kết nối song song giữa cổng HI08 với khối A/D, D/A ...........79
Hình 2.57 Sơ đồ mạch in khối A/D, D/A tốc độ cao .................................................80
Hình 2.58 Tín hiệu trước và sau bộ lọc FIR dải thơng 0 Hz - 200 kHz, tần số lấy

mẫu 2 MHz, kết nối các khối A/D, D/A tốc độ cao với DSP56307EVM (a) 82
kHz, (b) 189 kHz, (c) 250 kHz .............................................................................80
Hình 3.1 Lưu đồ vịng khóa pha PLL ........................................................................84
Hình 3.2 Khối so pha ................................................................................................85
Hình 3.3 Khối so pha ................................................................................................85
Hình 3.4 Sơ đồ khối tổ hợp tần số dùng PLL thực hiện bằng VĐK ..........................88
Hình 3.5 Sơ đồ khối của LMX2316 ...........................................................................88
Hình 3.6 Sơ đồ mạch nguyên lý của khối PLL ..........................................................89
Hình 3.7 Mạch điện PLL chế tạo thực tế ..................................................................89
Hình 3.8 Sơ đồ khối phần VCO .................................................................................90
Hình 3.9 Mạch VCO chế tạo thực tế .........................................................................90
Hình 3.10 Phổ của các tần số cao tần VCO .............................................................92
Hình 3.11 Sơ đồ khối các mơ-đun thu UHF..............................................................94
Hình 3.12 Dạng sóng đặc trưng của STC .................................................................96
Hình 3.13 Sơ đồ khối khuếch đại loga ......................................................................97
Hình 3.14 Sơ đồ khối của IC AD6006 khuếch đại loga ............................................98
Hình 3.15 Tín hiệu giải điều chế tại 900 MHz, -80 dBm ..........................................99
Hình 3.16 Tín hiệu giải điều chế tại 730 MHz, -100 dBm ......................................100
Hình 3.17 Tín hiệu giải điều chế tại 740 MHz, -100 dBm ......................................100

9


Hình 3.18 Tín hiệu giải điều chế tại 750 MHz, -100 dBm ......................................101
Hình 3.19 Sơ đồ khối hệ thống định vị sử dụng mã Barker ....................................101
Hình 3.20 Cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại cơng suất cao tần ..........................102
Hình 3.21 Ý nghĩa của tham số tán xạ ....................................................................103
Hình 3.22 Ma trận tham số tán xạ 2 cổng ..............................................................103
Hình 3.23 Tán xạ 2 cổng, trong đó 1 cổng là điện trở tải ......................................103
Hình 3.24 Mạch khuếch đại cơng suất và phối hợp trở kháng vào / ra..................104

Hình 3.25 Đường dây vi dải ....................................................................................106
Hình 3.26 Đường dây dạng dải ...............................................................................107
Hình 3.27 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại công suất cao tần.............................108
Hình 3.28 Biểu đồ Smith tính tốn trở kháng lối vào và lối ra của transistor. ......109
Hình 3.29 Các tham số S mơ phỏng tại 850 MHz ...................................................110
Hình 3.30 Khối khuếch đại cơng suất xung 90W ....................................................111
Hình 3.31 Đặc trưng tần số đánh dấu tại 612.5HMz. ............................................112
Hình 3.32 Đặc trưng tần số đánh dấu tại 753.0HMz. ............................................112
Hình 3.33 Bộ khuếch đại công suất 2 tầng, tầng 1 45W, tầng 2 90W với lối vào
chuẩn 300 mW ...................................................................................................113
Hình 3.34 Bố trí máy móc đo thơng số mạch khuếch đại .......................................114
Hình 3.35 Lối ra khối khuếch đại trên máy phân tích phổ .....................................115
Hình 3.36 Đặc trưng tần số đo trên máy phân tích mạng ......................................115

10


MỞ ĐẦU
Từ những ngày xa xƣa, trong thiên nhiên hoang dã, Tạo hóa đã ban cho chúng
ta những “cỗ máy” kì diệu. Các con dơi có thể phát ra tiếng kêu siêu âm từ mũi,
nhận tiếng vọng tại hai tai, sau đó phân tích để tìm kiếm và định vị mồi. Cũng với
nguyên lý nhƣ vậy, những chú cá heo có thể nhanh chóng tìm đến cứu những ngƣời
bị nạn trên biển.

Loài dơi và cá heo - những “cỗ máy sonar” của Tạo hóa

Thuật ngữ “rađa” bắt nguồn từ các chữ các đầu tiên của cụm từ “RAdio
Detection And Ranging”. Ngày nay, kỹ thuật này trở nên thông dụng và thuật ngữ
đó đƣợc xem là một danh từ chuẩn của tiếng Anh. Một thuật ngữ tƣơng tự cho sóng
siêu âm gọi là sonar (SOund Navigation And Ranging).

Lịch sử phát triển của rađa xuất phát từ những ngày đầu của lý thuyết sóng
điện từ [57]. Năm 1886, Hertz trình diễn thí nghiệm về phản xạ của sóng vơ tuyến.
Năm 1897, nhà bác học Nga Pô-pôp phát hiện hiện tƣợng liên lạc vơ tuyến giữa hai
tàu bị cắt đứt lúc có một tuần dƣơng hạm chạy ngang qua. Lí do là do sóng vơ tuyến
bị phản xạ khi gặp chƣớng ngại vật. Ông đã nghĩ ngay ra việc lợi dụng nguyên lý
này để kiểm tra, xác định vị trí và dẫn đƣờng cho tàu thuyền. Đây đƣợc xem là thời
điểm khởi đầu của các hệ thống rađa.
Trong chiến tranh thế giới lần thứ hai [1], Liên-xô và các nƣớc nhƣ Anh, Mỹ,
Đức, Pháp, Nhật cũng để nhiều sức lực vào việc phát triển kỹ thuật rađa nhằm cải
thiện sức mạnh quân sự của mình. Hầu hết các cơng nghệ rađa hiện đại mà nay đang
sử dụng đã xuất hiện trong thời gian này. Sau chiến tranh, các nhà khoa học lại tập
11


trung nghiên cứu cải thiện các đài sóng cm, sóng mm để áp dụng trong quân sự,
thiên văn và đời sống xã hội.
Đặc biệt ngày nay, các bài toán rađa hiện đại đòi hỏi khả năng xử lý của các
thiết bị số nhƣ máy tính, các bo mạch xử lý tín hiệu số hay các IC số tích hợp cao.
Các đầu bài cũng nhƣ các thuật toán yêu cầu hệ thống rađa xử lý cũng vì thế trở nên
phức tạp và đa dạng hơn. Mục tiêu luận án hƣớng đến các kỹ thuật xử lý nhƣ vậy.
Tổng quan về tình hình nghiên cứu các bài tốn xử lý tín hiệu số rađa trong và
ngoài nƣớc
Trong nước:
Cùng với sự nghiên cứu phát triển trên tồn thế giới, Việt nam cũng ln có
những nghiên cứu rất quan trọng trong lĩnh vực rađa, khơng chỉ về mặt qn sự mà
cịn rất đa dạng trong các lĩnh vực khác nhƣ y tế, môi trƣờng, thời tiết…
Hiện nay, trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học
Quốc gia Hà nội, Viện Rađa thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Học viện
Qn chủng Phịng khơng Khơng qn, Học viện Kỹ thuật qn sự, Bộ quốc
phịng... đang có rất nhiều nghiên cứu về vấn đề xử lý số tín hiệu rađa này.

Đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống phát, thu và xử lý tín hiệu dải
rộng nhận biết chủ quyền quốc gia”, mã số: KC.01.12/06-10, thực hiện 2006-2010,
chủ nhiệm đề tài: TS. Bạch Gia Dƣơng, đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy
phát tín hiệu hỏi dùng trong thiết bị nhận biết chủ quyền quốc gia”, mã số:
QG.07.26, thực hiện 2007-2009. Một số đề tài khác nhƣ: “Xây dựng hệ thống thu
thập xử lý tín hiệu trong các hệ định vị vơ tuyến”, Tạp chí khoa học ĐHQGHN,
KHTN & CN, T.XXI, số 2PT, 2005; “Xử lý tín hiệu số trên công nghệ DSP áp
dụng trong rađa”, Báo cáo khoa học tại hội nghị khoa học Vật lý toàn quốc, 2005
đã và đang đƣa ra một số kết quả về thiết kế một số mô đun tạo mã tín hiệu và xử lý
tín hiệu trong tổng thể hệ thống rađa. Các nghiên cứu này đều đang bƣớc đầu tiếp
cận các kỹ thuật xử lý số tín hiệu rađa.
Đề tài “Hợp tác xử lý tín hiệu Rada bằng các phương pháp số và chọn lọc
phân cực”, tác giả Đào Chí Thanh, đề tài cấp nhà nƣớc 2009, có các nội dung sau:

12


Thiết kế kênh xử số tín hiệu, truyền tin và ghép mạng, thiết kế kênh phân cực.
Nhóm nghiên cứu này còn thực hiện đề tài theo nhiệm vụ nhà nƣớc hợp tác quốc tế
theo nghị định thƣ: “Hợp tác nghiên cứu xử lý tín hiệu rađa bằng các phương pháp
số và chọn lọc phân cực” nhằm: Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống xử lý số, hệ
thống xử lý phân cực tín hiệu rađa thực hiện tự động phát hiện mục tiêu rađa, tự
động xác định toạ độ, tự động phát hiện và tự động bám quỹ đạo mục tiêu, nâng cao
xác suất phát hiện đúng tín hiệu rađa. Nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp xử lý
phân cực tín hiệu rađa.
Ngoài nƣớc:
Các nghiên cứu khoa học về rađa xuất hiện nhiều trong các tạp chí khoa học
và kỹ thuật. Tập trung nhiều nhất ở Mỹ là Viện IEEE (Institute of Electrical and
Electronics Engineers), tạp chí Transaction on Aerospace and Electronic System,
Transactions on Geoscience and Remote Sensing, và Transactions on Image

Processing. Tại Anh, các bài báo về công nghệ rađa đƣợc phát hành trên IEE
(Institution of Electrical Engineers) Proceedings: Radar, Sonar, and Navigation.
Một số nghiên cứu về mã Barker, kỹ thuật nén xung, bộ lọc phối hợp nhƣ của:
-

Relji Sato (2003), “Simple Mismatched Filter for Binary Pulse Compression
Code with Small PSL and Small S/N Loss” [78], đƣa ra một số loại mã và thực
hiện mô phỏng kỹ thuật nén xung để quan sát việc giảm các sidelode của hàm
tự tƣơng quan trong khi không làm ảnh hƣởng đến tỉ số tín hiệu/tạp.

-

Jeffrey S. Fu (1994), “Phase-coded Pulse Compression Implementation for
Radar Performance Analysis” [45], và Nadav Levanon (2006), “Noncoherent
Pulse Compression” [69], đƣa ra mô phỏng kỹ thuật nén xung thực hiện với mã
Barker 13 bít điều chế BPSK. Ngồi ra Levanon cũng thực hiện nén xung với
các mã dài hơn 70 bít.

-

Một nghiên cứu khác của Liu Du-ren,

Jin Ya-jing

Ren Xiao-na (2001),

“Analysis of a Nonsinusoidal Radar Signal and the Formation of It's Coded
Pulses” [52] cũng quan tâm đến mã Barker 13 bít và đã tạo ra đƣợc mã này với
độ rộng bít ngắn, sử dụng cổng A và cổng B của khối dữ liệu vào ra song song

13


8 bít Intel 8255 có trong máy tính cá nhân. Đây đã thể hiện là một phƣơng án
không dùng các IC số rời để lắp ráp thành mạch, mà tận dụng khả năng xử lý tín
hiệu số của máy tính số để tạo mã.
-

August W. Rihaczek, Roger M. Golden (1971), “Range Sidelobe Suppression
for Barker Codes” cũng đã tìm cách đƣa các bộ xử lý số vào để thực hiện nén
xung. Tuy nhiên ở mức các thiết bị số lúc đó, ông đã đề xuất thêm phƣơng án
đƣa các đƣờng dây trễ vào để giảm tính phức tạp của bộ xử lý số, đồng thời
giảm đƣợc các cánh sóng phụ.

-

Một nghiên cứu khác của Nadav Levanon (2006), “Cross-correlation of long
binary signals with longer mismatched filters” [70], đã đề xuất đến việc tìm
hiểu hàm tƣơng quan của các tín hiệu nhị phân dài hơn mã Barker, mã 63 bít,
169 bít, sử dụng bộ lọc không phối hợp. Kết luận của Nadav Levanon là việc
phát mã tuy dễ dàng nhƣ cần cân nhắc phù hợp với kỹ thuật nén xung, đảm bảo
cánh sóng phụ thấp và các mất mát tỉ số tín hiệu/tạp vẫn chấp nhận đƣợc.

-

Báo cáo kỹ thuật của Falih H. Ahmad, James A. Evans, Ernest L. Miller (1996),
“Design of a High-Resolution, Coded, Portable Radar System”, tập trung vào
chế tạo mạch cho 4 khối: khối phát, khối thu, khối vi xử lý, khối nguồn DC,
trong đó chú ý là việc sử dụng vi điều khiển 87C550 để điều khiển hoạt động
của hệ thống. Đây là một báo cáo kỹ thuật về xây dựng cả hệ thống radar.

-

Trong bản tin Bulletin of Defence Research and Development Organisation
(DRDO), Vol. 11 No. 3 June 2003 ISSN : 0971-4413, phần Technology Focus,
Radar Technology có trình bày về các nghiên cứu và chế tạo các khối của một
hệ thống rađa hoàn chỉnh: các khối ăng-ten, khối phát công suất cao, khối thu,
khối nén xung, khối xử lý tín hiệu, khối xử lý dữ liệu. Xuất phát về mặt quan
điểm của các nghiên cứu thành công này đƣợc đề cập ở phần đầu của bản tin.
Xin đƣợc dịch một cách chính xác nhƣ sau: Chìa khóa cho sự phát triển thành
công rất nhiều ứng dụng của các hệ thống rađa nằm ở chỗ là dựa vào các kiến
thức cơ bản về rađa vận dụng với các thiết kế mới. Các công nghệ về linh kiện
mới nhƣ là ống dẫn sóng cực ngắn, linh kiện VLSI dựa trên các chíp ASIC, các

14


bộ dịch pha điều khiển điện tử, các khối xử lý tín hiệu số, và rất nhiều các linh
kiện cao tần mới đã kết hợp với nhau để tạo nên sự phát triển cho các hệ thống
rađa thế hệ mới hiện đại và phức tạp.
Mục tiêu luận án
Qua sự giới thiệu về lịch sử phát triển của hệ thống định vị vơ tuyến rađa và về
bức tranh tồn cuộc của các loại rađa đang phát triển cho đến ngày nay, chúng ta có
thể nhận thấy tính cấp thiết và tầm quan trọng của việc đi sâu nghiên cứu thiết kế và
chế tạo các hệ thống rađa riêng, hiện đại trong điều kiện của nƣớc ta.
Việc nắm rõ hoạt động của hệ thống giúp ta có thể làm chủ đƣợc cơng nghệ và
có thể biết cách vận dụng linh hoạt, hiệu quả. Việc có thể thiết kế và chế tạo thành
cơng trong các nhóm nghiên cứu chuyên sâu về rađa sẽ là một khẳng định cho nền
khoa học kĩ thuật và qn sự của Việt nam. Chính vì thế, nhƣ đã đề cập ở trên, hiện
nay đã có rất nhiều các nhóm nghiên cứu mạnh về lĩnh vực này. Trong các hội thảo

chuyên đề về công nghệ thông tin và kĩ thuật điện tử hiện đại, việc trao đổi giữa các
nhóm đem lại những kết quả rất đáng kinh ngạc cho sự khẳng định này. Đề tài luận
án này đƣợc thực hiện dƣới sự hỗ trợ và trao đổi của các nhóm nghiên cứu nhƣ vậy.
Khởi đầu của đề tài là tiếp cận hệ thống rađa hiện đại, với những thuật tốn
địi hỏi thơng minh hơn, các u cầu bài tốn đa dạng hơn và phức tạp hơn. Từ đó
đƣa ra mục tiêu chính là thiết kế và chế tạo các khối chức năng trong hệ thống sử
dụng các loại linh kiện điện tử hiện đại có độ tích hợp cao; xây dựng một hệ xử lý
tín hiệu số cho hệ thống; đề xuất và thực hiện một số giải pháp nhằm cải tiến tính
năng hoạt động của hệ thống.
Với đặt vấn đề nhƣ trên, luận án đƣợc trình bày chia thành 3 chƣơng.
Chƣơng 1 trình bày về cơ sở kỹ thuật của rađa hiện đại, trong đó cũng có trình bày
về các khối cơ bản của hệ thống rađa truyền thống. Nhƣng tập trung đi vào khai
thác các kỹ thuật hiện đại nhƣ các kỹ thuật cao tần mới, các kỹ thuật xử lý tín hiệu
số, việc dùng các linh kiện điện tử mới làm gọn nhẹ và tăng cƣờng chức năng cho
hệ thống.
Chƣơng 2 trình bày vào một nội dung chính của luận án, đó là phần gia cơng

15


và xử lý tín hiệu số. Chìa khóa của sự nghiên cứu thành công nằm ở chỗ biết cách
triển khai cũng vẫn các công nghệ nền tảng nhƣng là trên các thiết kế hiện đại. Các
bài tốn xử lý tín hiệu đƣợc mô phỏng sử dụng Matlab, VHDL, ADS, và thiết kế
chế tạo phần cứng sử dụng các linh kiện, vật liệu điện tử hiện đại có độ tích hợp
cao. Các tính năng, độ linh hoạt của hệ thống trở nên vƣợt trội hơn so với các thế hệ
rađa truyền thống.
Chƣơng 3 trình bày về nội dung chính cịn lại của đề tài, là phần chế tạo tuyến
thu phát siêu cao tần. Trong phần này, kỹ thuật tổ hợp tần số kết hợp với vi điều
khiển để tạo ra khối dao động nội cao tần. Từ đó phát triển nên máy thu UHF có độ
nhạy cao với những thơng số kỹ thuật có thể so sánh và vƣợt trội so với các máy thu

hiện có trên thị trƣờng. Phần tuyến phát sử dụng kỹ thuật mạch dải và các kỹ thuật
cao tần khác đã tạo ra các khối khuếch đại công suất cao tần. Những khối này là
những thành phần mấu chốt cần xây dựng trong hệ thống rađa.
Phần kết luận chung tổng kết lại các kết quả, thảo luận và nêu lên những đóng
góp mới của các kết quả này so với những nghiên cứu hiện có trong và ngồi nƣớc.
Đặc biệt nhấn mạnh tính hiện đại hóa và làm chủ công nghệ chế tạo rađa trong điều
kiện sử dụng của Việt nam.
Tính đóng góp ứng dụng thực tiễn của luận án là nội dung nghiên cứu nằm
trong Dự án của Bộ Quốc phịng do Qn chủng Phịng khơng Khơng qn chủ trì
năm 2003-2006: “Cải tiến số hóa rađa bắt thấp P15”, triển khai tại Viện Phịng
khơng Khơng qn. Với nội dung phần thu thập, xử lý tự động, cải tiến hệ thống
thu, hệ thống chống nhiễu, tự động phát hiện mục tiêu rađa, nhận và truyền số liệu
do TS. Bạch Gia Dƣơng chủ trì.
Mục tiêu tƣơng lai của luận án là sau khi nghiên cứu, thiết kế, sử dụng thành
cơng trong mơi trƣờng phịng thí nghiệm, sẽ giới thiệu đƣa vào các đơn vị để kiểm
tra và khai thác hoạt động. Từ đó những phản hồi thực tế sẽ giúp cho hệ thống xử lý
tín hiệu số này đƣợc hồn thiện hơn, tiến dần đến việc đóng gói và thƣơng phẩm.

16


CHƢƠNG 1. CƠ SỞ KỸ THUẬT RAĐA HIỆN ĐẠI
Cơ sở kỹ thuật của một hệ thống rađa hiện đại nhìn chung cũng phải dựa chủ
yếu vào các chức năng cơ bản của các rađa truyền thống. Nhƣng cốt lõi của sự thay
đổi là với những khối chức năng đó, chúng ta không sử dụng các kỹ thuật điện tử
trƣớc đây mà cố gắng dùng các loại linh kiện điện tử mới thông minh hơn, đa năng
hơn để xây dựng. Khi đó, rađa hiện đại theo quan điểm mới này là một hệ xử lý tín
hiệu trong đó có hai phần chính:
-

Phần cao tần (thu, phát, điều chế) gắn vào xử lý tƣơng tự

-

Phần xử lý tín hiệu, gắn vào xử lý số.
Phần trình bày dƣới đây chủ yếu nhấn mạnh vào loại rađa xung (pulsed rađa -

PR) hơn là rađa liên tục (continuous wave - CW), mặc dù các ý tƣởng đều có thể áp
dụng cho cả hai.

1.1. Các chức năng cơ bản và các kỹ thuật xử lý của rađa hiện đại
[57,82,85]
Chức năng cơ bản nhất trong rađa là sự phát hiện có hay khơng có mục tiêu
hay các hiện tƣợng vật lý. Điều đó yêu cầu việc quyết định xem là tại lối vào khối
thu tại các thời điểm nhất định có hay khơng có tín hiệu phản xạ từ mục tiêu, hay
chỉ đơn thuần là nhiễu. Quyết định này thƣờng đƣợc rút ra khi so sánh biên độ của
tín hiệu phản xạ A(t) với một thế ngƣỡng V(t) đã đƣợc thiết lập trƣớc trong hệ
thống. Thời gian cần thiết cho một xung truyền đi một khoảng cách R và nếu có trở
về là t = 2R/c (c là vận tốc ánh sáng). Khi đó, có thể xác nhận là có mục tiêu nằm
tại phạm vi:
R

ct
2

(1.1)

Tiếp sau khi mục tiêu đã đƣợc phát hiện, ta cần xác định vị trí và vận tốc của
mục tiêu. Để xác định vị trí, chúng ta thƣờng sử dụng hệ tọa độ cầu. Ngồi thơng số
R vừa đo đƣợc, góc phƣơng vị  (azimuth angle) và góc ngẩng  (elevation angle)

đƣợc xác định theo hƣớng của ăng-ten hệ thống, vì rằng mục tiêu thƣờng xác định

17


nhờ bởi búp sóng chính của ăng-ten. Vận tốc v của mục tiêu đƣợc khai thác từ việc
đo độ dịch tần Doppler fd cho các mục tiêu chuyển động lại gần hay ra xa mục tiêu.
fd  

2v

(1.2)



Trong đó,  là bƣớc sóng của bức xạ từ ăng-ten.
Trong các hệ rađa truyền thống, nhất là trong lĩnh vực quân sự, chúng ta
thƣờng quen thuộc với việc quan sát và phân tích các đốm sáng trên màn hình (blip)
để phát hiện và theo dõi mục tiêu. Ngày nay, khơng chỉ có vậy, các hệ thống rađa
hiện đại (imaging rađa) có khả năng tái tạo đƣợc ảnh hai chiều (two-dimensional
image) của đối tƣợng. Đây là một trong những phát triển quan trọng, đƣợc khai thác
trong rất nhiều các ứng dụng, ví dụ nhƣ phân tích chủng loại mục tiêu quân sự, vẽ
bản đồ, phân tích trạng thái băng bao phủ, trạng thái rừng bị phá, theo dõi sự biến
đổi của địa hình mặt đất… Các ảnh chụp bởi rađa này khơng có độ phân giải cao
hơn các ảnh chụp quang học, nhƣng với việc suy giảm rất ít sóng điện từ khi đi qua
các đám mây, sƣơng mù, lại cho rađa một tầm nhìn tuyệt vời hơn nhiều. Chính vì
thế, với một hệ thống rađa hiện đại, việc nghiên cứu và xây dựng các hệ thống xử lý
ảnh số (digital image processing) là một phần cực kì quan trọng khơng thể thiếu.
Chất lƣợng của rađa đƣợc đo bằng các hệ số phẩm chất. Với mỗi yêu cầu khác
nhau, sẽ có một số thông số trong các hệ số trên cần đƣợc ƣu tiên hơn so với các

thơng số khác. Ví dụ trong yêu cầu phát hiện mục tiêu, thông số cơ bản là xác suất
phát hiện PD (probability of detection), xác suất phát hiện lầm Pfa (probability of
false alarm). Với một hệ thống, PD càng lớn càng tốt, Pfa càng nhỏ càng tốt. Tuy
nhiên, thƣờng không đạt đƣợc cùng một chiều hƣớng nhƣ vậy. Để dung hòa, ngƣời
ta sử dụng tỉ số tín hiệu/nhiễu giao thoa SIR (signal-to-interference ratio).
Khi có nhiều mục tiêu cùng trong tầm nhìn của rađa, rất quan trọng cần xem
xét thêm về độ phân giải (resolution) và ảnh hƣởng của các búp sóng phụ của ăngten (side lobes) vì nếu khơng, có thể dẫn đến một kết luận sai lầm là chỉ phát hiện
đƣợc một mục tiêu trong khi có hai mục tiêu gần nhau. Theo nhiều lý thuyết cho
thấy, độ phân giải phụ thuộc chính vào dạng sóng đƣợc phát đi, và khâu xử lí tín

18


hiệu phản xạ trở về.
Trong kỹ thuật xử lý tín hiệu rađa, có nhiều khái niệm và kĩ thuật tƣơng đồng
với các lĩnh vực xử lý tín hiệu thơng tin khác. Ví dụ nhƣ các khối lọc tuyến tính
(linear filtering) hay lý thuyết phát hiện thống kê (statistical detection theory) là
một trong các khối trung tâm trong xử lý tín hiệu rađa. Các phép biến đổi Fourier,
đƣợc hiện đại hóa bởi phép biến đổi Fourier nhanh FFT (fast Fourier transform), là
các thuật tốn chính đƣợc dùng trong các bộ lọc phối hợp (matched filter), trong các
ƣớc tính về hiệu ứng Doppler hay trong các phép xử lý ảnh. Trong phần trình bày
dƣới đây, chúng ta có thể thấy vai trị quan trọng của các bộ lọc. Với kỹ thuật xử lý
số, các bộ lọc này sẽ đều là các bộ lọc số, với các thuật toán và cấu trúc bộ lọc rất
phong phú và đa dạng. Các bộ biến đổi A/D, D/A là ranh giới biên của thế giới tín
hiệu tƣơng tự với thế giới tín hiệu số, sẽ cần đƣợc triển khai và khai thác để có thể
thực hiện đƣợc nhiệm vụ xử lý số cho tín hiệu rađa.
Bên cạnh những điểm giống nhau trên, xử lý tín hiệu rađa cũng có một số kỹ
thuật khác biệt hẳn so với các lĩnh vực khác. Các rađa hiện nay thƣờng là dạng
tƣơng can (coherent), có nghĩa là tín hiệu nhận đƣợc về, sau khi giải điều chế về
băng tần cơ sở, sẽ là một giá trị phức chứ không phải giá trị thực (thành phần I và

Q). Về biên độ, tín hiệu thu rađa có một dải động rất lớn, có thể lên đến vài chục,
hoặc thậm chí 100 dB. Vì vậy, trong khối thu, cần có phƣơng án tự động điều chỉnh
hệ số khuếch đại (gain control) để tránh tình trạng tín hiệu yếu bị che bởi các tín
hiệu mạnh hơn. Theo đó, SIR sẽ đƣợc điều chỉnh thích hợp.
Đặc biệt quan trọng, so với các ứng dụng DSP khác, băng thơng của tín hiệu
rađa rất lớn. Băng thơng tức thời cho một xung đơn thƣờng cỡ vài MHz, trong các
rađa độ phân giải cao, có thể lên tới vài trăm MHz, thậm chí 1 GHz. Điều này là
một trở ngại lớn cho các khâu xử lý DSP. Đây cũng xem là một trong những trở
ngại luôn cần cân nhắc khi ngƣời thiết kế muốn lựa chọn các linh kiện thích hợp.
Một xu hƣớng khác hiện nay, là khả năng xử lý thời gian thực (real-time
processing) so với xử lý từng mảng dữ liệu nhƣ trƣớc đây (block processing), kỹ
thuật có đƣợc khi thiết kế A/D, D/A trên tƣơng can với các bo DSP tốc độ cao. Đây

19


cũng là một ƣu việt của các rađa hiện đại xử lí số. Trong nghiên cứu của luận án đã
đƣa ra giải pháp thiết kế và chế tạo khối A/D, D/A tốc độ cao này.

1.2. Sơ đồ khối rađa xung [8, 38,57,82, 64]
Hình 1.1 là một trong các loại sơ đồ khối của một rađa xung đơn giản. Khối
tạo dạng sóng (waveform generator) sẽ thiết kế để đƣa ra dạng xung theo yêu cầu.
Khối phát (transmitter) điều chế dạng sóng này lên tần số sóng mang và khuếch đại
lên đến mức công suất cần thiết. Đầu ra của khối phát đƣợc dẫn đến ăng-ten qua
một bộ song công ăng-ten (duplexer, circulator), hay cịn gọi là khóa chuyển thu
phát (transmit/receive switch).

Hình 1.1 Sơ đồ khối của một rađa xung
Tín hiệu vọng trở về cũng đƣợc dẫn đến bộ song công này để chuyển đến khối
thu. Khối thu thƣờng có thiết kế máy thu kiểu trộn tần, với tầng đầu tiên là khuếch

đại RF tạp âm thấp (low-noise RF amplifier). Kế sau là một hoặc một vài tầng trộn
sóng để thu đƣợc tín hiệu trung tần IF (intermediate frequencies) và theo đó là tín
hiệu băng cơ sở. Điều chế xuống đƣợc thực hiện với khối trộn (mixer) và khối dao
động nội LO (local oscillator). Tín hiệu thu về dạng băng cơ sở bây giờ mới đƣợc
20


chuyển đến khối xử lý tín hiệu (signal processor). Tại đây mới đƣa ra hàng loạt các
kỹ thuật xử lý nhƣ nén xung, lọc thích nghi, lọc Doppler, tích lũy xung… Đầu ra
của khối xử lý sẽ có thể có nhiều dạng khác nhau, phụ thuộc vào yêu cầu mục đích
của rađa. Ví dụ, với rađa bám, đầu ra là dòng dữ liệu về sự phát hiện, kèm theo là
các số liệu về cự ly, góc phƣơng vị… nhƣng đối với rađa ảnh thì đầu ra là các ảnh
hai hoặc ba chiều. Lối ra này đƣợc gửi tới khối hiển thị (display) hay khối xử lý dữ
liệu (data processor).
Các kỹ thuật xây dựng và chế tạo khối phát của rađa [19,61,98]
Khối phát rađa xung tạo ra các xung RF hẹp, cơng suất cao để bức xạ ra ngồi
khơng gian thơng qua ăng-ten. Phân loại các khối phát đƣợc chỉ ra trong Hình 1.2.

Hình 1.2 Phân loại khối phát rađa
Khối phát đƣợc chia làm hai loại chính:
Khối phát dao động cơng suất POT (power oscillator transmitter): đây là loại
không tƣơng quan (non-coherent, psedo-coherent). Trong loại phát này, có một
tầng, thƣờng là dao động magnetron, tạo ra các xung RF sau những khoảng thời
gian cách biệt. Loại magnetron này có nhƣợc điểm là không linh động, tạp nhiễu
lớn. Nhƣ tên gọi, đây là loại khơng tƣơng quan, xung sau phát ra có pha khác với
pha xung trƣớc.
Khối phát khuếch đại công suất PAT (power amplifier transmitter): là loại
đƣợc dùng nhiều trong các rađa hiện nay. Trong hệ thống này, các xung phát đi
đƣợc điều chế từ các loại mã, dạng sóng từ bộ tạo dạng sóng. Các xung phát ra từ
khối khuếch đại cơng suất có mức cơng suất thấp, sau đó đƣợc thiết kế tại đầu ra sao

21


cho có mức cơng suất theo u cầu (nhờ các bộ cộng công suất). Một số loại thƣờng
gặp là amplitron, klystron, khuếch đại đèn sóng chạy TWT (traveling wave tube),
cross-field amplifier (CFA), hoặc khuếch đại bán dẫn (solid-state-amplifier). Các
xung phát đi có pha nhƣ nhau nên có tính tƣơng can (coherent).
Nhấn mạnh về khuếch đại bán dẫn: đây là kỹ thuật đƣợc ƣa chuộng nhất hiện
nay. Có thể thấy qua một sự phân loại khác là: tất cả các kỹ thuật trƣớc nhƣ
magnetron, klystron, khuếch đại đèn sóng chạy TWT, hay CFA đƣợc xem là một
loại, còn khuếch đại bán dẫn là một loại. Khuếch đại bán dẫn có ƣu điểm chính là
hoạt động trong dải tần rộng, dễ điều chỉnh tần số. Nhƣợc điểm của nó là khơng thể
cấp đƣợc cơng suất đỉnh xung lớn, nên nó sẽ phát đi các xung rộng để đảm bảo công
suất phát trung bình. Vì thế, trong các hệ này thƣờng cần khâu nén xung ở bên thu.
Nó cịn khơng bị các vấn đề mà các đèn chân không gặp phải: catốt đốt nóng, khơng
cần điện thế cao hay từ trƣờng, khơng bức xạ tia X… Ngồi ra, từng tầng khuếch
đại cơng suất tuy thấp, nhƣng thơng qua các bộ cộng có thể đạt đƣợc công suất yêu
cầu. Các kỹ thuật cao tần nhƣ mạch dải, mạch vi dải cho các phối hợp trở kháng
cũng rất phù hợp cho các transistor bán dẫn loại này. Tóm lại, trong các hệ rađa
hiện đại tính năng cao, có rất nhiều lý do, cả về mặt kỹ thuật lẫn về xu thế, để lựa
chọn dùng khuếch đại bán dẫn.
So sánh khối thu đầu cuối trong rađa thế hệ trƣớc và rađa hiện đại [43]:
Việc ngày càng sử dụng nhiều các kỹ thuật số vào trong các phần tử của hệ
thống làm cho rađa càng trở nên mạnh và linh động, kích thƣớc và giá thành chế tạo
lại giảm. Chẳng hạn, Hình 1.3 chỉ ra sơ đồ khối của một khối thu đầu cuối của một
hệ thống rađa điển hình những năm 90. Trong hệ thống này đã tích hợp phần nén
xung, nhƣng là nén xung tƣơng tự APC (analog pulse compression). Nhƣ ta thấy,
cần phải có một vài chặng biến đổi tƣơng tự (analog downconversion) (gồm có
phần trộn mixer với dao động nội LO và phần lọc dải thông BPF - band pass filter,
lọc thông thấp LPF - low pass filter) thì mới có đƣợc tín hiệu đồng pha I (in-phase)

và vuông pha Q (quadrature) băng cơ sở có độ rộng dải thơng đủ nhỏ để cho ADC
thời đó có thể lấy mẫu đƣợc. Tín hiệu sau khi số hóa sẽ đƣa vào các phần xử lý số

22


đằng sau (phát hiện, độ dịch tần, bám mục tiêu chuyển động…)

Hình 1.3 Khối thu đầu cuối của rađa điển hình những năm 1990

Hình 1.4 Khối thu số đầu cuối của rađa hiện đại
Tƣơng phản, Hình 1.4 chỉ ra một khối thu số của một rađa. Lối vào RF thƣờng
chỉ cần qua một hoặc hai tầng xử lý tƣơng tự để chuyển xuống dải trung tần IF để
có thể đi thẳng vào bộ biến đổi A/D tốc độ cao. Bộ biến đổi giảm DDC (digital
downconverter) biến đổi mẫu tín hiệu đã số hóa sang dạng phức tại tần số mẫu thấp
hơn để sau khi qua khối nén xung số (DPC) sẽ đến phần xử lý đầu cuối (backend
processing). Trong các phần thực nghiệm thực hiện, chúng ta sẽ có những thảo luận
để thấy rằng các kỹ thuật xử lý số sẽ cải thiện rõ rệt đƣợc dải động, độ ổn định và
khả năng hoạt động của toàn hệ thống, trong khi giảm đƣợc kích thƣớc và giá thành
khi so với các kỹ thuật xử lý tƣơng tự.

Kết luận chƣơng 1 và tiếp cận mục tiêu luận án
Chƣơng 1 đã tổng quan về sơ đồ khối hoạt động của hệ thống rađa phát xung:
-

Những chức năng cơ bản của hệ thống khơng có nhiều thay đổi, tuy nhiên có
nhiều cải thiện về giải pháp và kỹ thuật liên quan đến việc sử dụng kỹ thuật
số và các công nghệ hiện đại vào một số hệ thống của rađa, góp phần làm
23

tăng tính năng, hoạt động, nâng cao tính ổn định, giảm thiểu giá thành, kích
thƣớc của rađa, rút ngắn thời gian lấy mẫu hoặc xử lý tín hiệu, lƣu trữ và
truyền đi dữ liệu.
-

Xu thế bán dẫn hóa nhằm nâng cao công suất phát kết hợp với mạch vi dải và
hệ thống ăng-ten thơng minh cho phép hiện đại hóa rađa khơng chỉ ở phần thu
và mã hóa xung phát.
Theo kết luận của chƣơng 1, đề tài luận án hƣớng đến việc giải quyết bài tốn

hiện đại hóa các đài rađa thế hệ cũ phát tín hiệu xung đơn với công suất đỉnh xung
lớn và tần số cao phát ra khơng ổn định, làm ảnh hƣởng đến các thuật tốn lọc cho
mục tiêu di động. Trong đề cập đầu chƣơng, một trong những thơng số quan trọng
cần tìm hiểu của mục tiêu di động là tốc độ. Muốn có tính tốn chính xác, địi hỏi
tần số phát đi ổn định cao, khối thu phải xử lý tín hiệu phản xạ tốt để tách ra đƣợc
độ dịch tần Doppler.
Đề xuất về mặt ý tƣởng và đƣa ra giải pháp giải quyết của luận án là tập trung
vào phần gia cơng tín hiệu, phát tín hiệu xung rộng mã pha và thực hiện nén xung ở
phía máy thu. Khi phát đi tín hiệu dải rộng, một ƣu điểm lớn thu đƣợc là cho phép
giảm công suất đỉnh xung trong khi vẫn đảm bảo đƣợc cơng suất trung bình, và nhƣ
thế vẫn đảm bảo đƣợc cự ly phát hiện trong phƣơng trình rađa. Khi làm giảm công
suất đỉnh xung cho phép sử dụng các bóng bán dẫn thay cho các đèn Manhetron và
các đèn điện tử siêu cao tần khác.
Và cũng từ đó, đƣa ra ý tƣởng và thiết kế các mô đun công suất siêu cao tần
và tổ hợp tần số dùng công nghệ mạch dải. Đây là một giải pháp kỹ thuật mới cho
phép làm chủ thiết kế chế tạo tuyến thu siêu cao tần với khả năng phối hợp trở
kháng tốt, có tần số làm việc và dải tần chủ động theo mong muốn, độ ổn định tần
số cao theo tần số tham chiếu của thạch anh.
Với tín hiệu dải rộng, máy thu tương tự cũng đƣợc thiết kế hoàn chỉnh cho phù

hợp với tuyến phát và các ƣu điểm của tín hiệu dải rộng.
Phần gia cơng tín hiệu, kết hợp các phần mềm mô phỏng, luận án giải quyết
việc tạo mã và điều chế mã pha BPSK luôn gắn liền với việc sử dụng linh hoạt vi

24