Nghiên cứu và thực hiện kiến trúc sdr cho các bộ thu gnss

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Nguyễn Hữu Đức

NGHIÊN CỨU VÀ THỰC HIỆN KIẾN TRÚC SDR
CHO CÁC BỘ THU GNSS

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Điện tử viễn thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Nguyễn Hữu Trung

Hà Nội – Năm 2012


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn này được hoàn thành sau một thời gian nghiên cứu và tìm hiểu các
nguồn tài liệu đã học, sách báo chuyên ngành cũng như các thông tin trên Internet
mà theo tôi là hồn tồn tin cậy. Tơi xin cam đoan luận văn này khơng giống với bất
kỳ cơng trình nghiên cứu hay luận văn nào trước đây mà tôi đã biết.
Hà Nội, ngày 20 tháng 6 năm 2012
Người thực hiện

Nguyễn Hữu Đức

NGUYỄN HỮU ĐỨC

LỚP 10BĐTVT-KH

i


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

LỜI NÓI ĐẦU

T

rong thời đại khoa học, kỹ thuật và công nghệ phát triển nhanh, các
công nghệ mới đang được nghiên cứu và triển khai, đem lại những giá

trị vô cùng to lớn. Hệ thống định vị toàn cầu GPS từ khi ra đời đã hỗ trợ con người
trong việc xác định vị trí, hướng đi, xây dựng các loại bản đồ và phục vụ nhiều mục
đích khác. Cùng với GPS của Mỹ thì Galileo đang được liên minh châu Âu triển
khai và dự kiến vài năm tới sẽ chính thức cung cấp dịch vụ. Các hệ thống định vị
được nghiên cứu để hoạt động kết hợp với nhau nhằm nâng cao hiệu quả. Động lực
này thúc đẩy công nghệ mới SDR được triển khai. Các bộ thu GNSS được xây dựng
trên công nghệ SDR có khả năng của một chiếc máy thu định vị truyền thống, ngồi
ra cịn cho phép tích hợp nhiều cơng nghệ, thay đổi và hiệu chỉnh các thông số dễ
dàng, trong khi triển khai không quá phức tạp trên các mạch khả trình xử lý mạnh
như DSP hay FPGA.
Từng là một sinh viên và nay là học viên cao học chuyên ngành điện tử viễn
thông, được học tập và tiếp cận với các cơng nghệ mới, em thấy có nhiều hứng thú
khi tìm hiểu về các hệ thống định vị dẫn đường. Hướng nghiên cứu của em là tìm ra
và thực hiện giải pháp để tích hợp các cơng nghệ định vị một cách tối ưu, trong đó
tập trung vào phần xử lý tín hiệu. Chính vì thế em đã tìm hiểu tín hiệu và cách xử lý
các tín hiệu GNSS, song song với việc nghiên cứu các kiến trúc máy thu định vị sử

dụng công nghệ SDR.
Trong luận văn: “Nghiên cứu và thực hiện kiến trúc SDR cho các bộ thu
GNSS”, em xin trình bày những nghiên cứu của mình về kiến trúc máy thu định vị
sử dụng cơng nghệ SDR. Em hy vọng nội dung luận văn sẽ có ích cho những
nghiên cứu sau này về cơng nghệ SDR và xử lý tín hiệu, đặc biệt cho những nghiên
cứu về bộ thu GNSS phần mềm tích hợp nhiều cơng nghệ.
Trong q trình làm luận văn, em đã nhận được sự giúp đỡ rất lớn từ các thầy
cô giáo PGS.TS. Nguyễn Hữu Trung và TS. Nguyễn Thúy Anh. Em xin được gửi
lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô!
NGUYỄN HỮU ĐỨC
LỚP 10BĐTVT-KH

ii


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

TĨM TẮT
Hiện nay, cơng nghệ SDR đang rất được chú ý trong nghiên cứu cũng như
triển khai. Các sản phẩm mới được xây dựng trên nền tảng SDR thể hiện được điểm
mạnh dựa trên tốc độ xử lý, hiệu năng, độ chính xác, tính ổn định, đặc biệt là tính
linh hoạt trong hiệu chỉnh, sửa chữa, nâng cấp và bảo dưỡng. Trong lĩnh vực định vị
dẫn đường, SDR cũng được chọn làm giải pháp hàng đầu giúp một chiếc máy thu
GNSS có thể hoạt động đa băng, đa chuẩn. Trong luận văn: “Nghiên cứu và thực
hiện kiến trúc SDR cho các bộ thu GNSS”, em xin trình bày những nội dung sau:
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN: giới thiệu về công nghệ SDR và các kiến trúc
SDR trong máy thu GNSS.
CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT TÍN HIỆU VÀ CƠ SỞ TỐN HỌC: trình
bày các đặc trưng của tín hiệu, các cơng cụ tốn học ứng dụng trong xử lý tín hiệu,
và cấu trúc, đặc điểm của tín hiệu GNSS.

CHƯƠNG 3. BẮT VÀ BÁM ĐỒNG BỘ: trình bày các phương pháp bắt và
bám đồng bộ trong kiến trúc SDR của máy thu GNSS.
CHƯƠNG 4. XỬ LÝ DỮ LIỆU ĐỊNH VỊ: giới thiệu về bài toán và phương
pháp giải bài tốn xác định vị trí trong máy thu GNSS.
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU: trình bày các kết
quả mô phỏng máy thu GNSS sử dụng công nghệ SDR và đề xuất một vài hướng
nghiên cứu tiếp theo.
Cùng với đó, phần kết luận sẽ tóm tắt lại nội dung của luận văn và đưa ra
những đánh giá liên quan đến công nghệ SDR và máy thu GNSS.

NGUYỄN HỮU ĐỨC
LỚP 10BĐTVT-KH

iii


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ABSTRACT
Today, the SDR technology is very noticeable in research and development.
The new product is built on SDR platform demonstrated strengths based on
processing speed, performance, accuracy, stability, especially flexibility in
adjustment, repair, upgrade and maintenance. In the area of positioning and
navigation, SDR is used as a leading solution for a multi-band and multi-standard
GNSS receiver. In the thesis: "Research and implementation of SDR architecture
for GNSS receivers", I would like to present the contents as follows:
Chapter 1 introduces SDR technology and the SDR architecture in GNSS
receivers.
Chapter 2 presents the characteristics of the signal, mathematical tools in
signal processing, and the structure and feature of GNSS signal.

Chapter 3 presents the methods of acquisition and tracking in SDR
architecture of GNSS receivers.
Chapter 4 introduces the positioning problem and its solution for locating in
the GNSS receiver.
Chapter 5 presents the results of simulation of GNSS receivers using SDR
technology and suggests some directions for further research.
And the conclusion will summarize the contents of the thesis and make
assessments related to SDR technology and GNSS receivers.

NGUYỄN HỮU ĐỨC
LỚP 10BĐTVT-KH

iv


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................I 
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................ II 
TÓM TẮT ..................................................................................................... III 
MỤC LỤC ....................................................................................................... V 
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................... VII 
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................ IX 
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................... X 
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................... 1 
1.1. Giới thiệu về SDR ..........................................................................................1 
1.2. Các kiến trúc của bộ thu GNSS ....................................................................2 
1.3. Cấu trúc và hoạt động của các bộ thu GNSS ..............................................6 

CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT TÍN HIỆU VÀ CƠ SỞ TỐN HỌC.............. 9 
2.1. Các đặc trưng của tín hiệu ............................................................................9 
2.1.1. Tín hiệu tất định .......................................................................................9 
2.1.2. Tín hiệu ngẫu nhiên ................................................................................13 
2.2. Biến đổi wavelet và loại trừ nhiễu ..............................................................16 
2.2.1. Tại sao có wavelet ..................................................................................16 
2.2.2. Biến đổi wavelet rời rạc và phân tích đa phân giải ................................17 
2.2.3. Loại trừ nhiễu dựa trên wavelet .............................................................20 
2.3. Cấu trúc và đặc trưng của tín hiệu GNSS .................................................22 
2.3.1. Cấu trúc tín hiệu .....................................................................................23 
2.3.2. Dãy trải phổ và đặc trưng tương quan ....................................................24 
2.3.3. Dịch tần Doppler ....................................................................................28 
NGUYỄN HỮU ĐỨC
LỚP 10BĐTVT-KH

v


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHƯƠNG 3. BẮT VÀ BÁM ĐỒNG BỘ .................................................... 30 
3.1. Bắt đồng bộ ...................................................................................................30 
3.1.1. Mục tiêu và nguyên tắc bắt đồng bộ ......................................................30 
3.1.2. Bắt đồng bộ tuần tự ................................................................................32 
3.1.3. Bắt đồng bộ song song miền tần số ........................................................34 
3.1.4. Bắt đồng bộ song song miền pha mã......................................................35 
3.1.5. Bắt đồng bộ tín hiệu yếu sử dụng loại trừ nhiễu wavelet .......................37 
3.2. Bám đồng bộ .................................................................................................42 
3.2.1. Mục tiêu và nguyên tắc bám đồng bộ ....................................................43 
3.2.2. Bám sóng mang ......................................................................................44 

3.2.3. Bám mã ...................................................................................................47 
3.2.4. Bám đồng bộ hoàn chỉnh ........................................................................50 

CHƯƠNG 4. XỬ LÝ DỮ LIỆU ĐỊNH VỊ .................................................. 53 
4.1. Khôi phục và giải mã dữ liệu định vị .........................................................53 
4.2. Bài toán định vị ............................................................................................54 

CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU ............................ 58 
5.1. Mơ phỏng tín hiệu ........................................................................................58 
5.2. Mơ phỏng bắt đồng bộ .................................................................................63 
5.3. Mô phỏng bắt đồng bộ sử dụng loại trừ nhiễu wavelet ............................70 
5.4. Mô phỏng bám đồng bộ ...............................................................................76 
5.4. Đánh giá kết quả và hướng nghiên cứu .....................................................80 

KẾT LUẬN .................................................................................................... 81 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 82 

NGUYỄN HỮU ĐỨC
LỚP 10BĐTVT-KH

vi


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Kiến trúc chung của bộ thu GNSS. .............................................................3 
Hình 1.2. Các mức phân chia phần cứng/phần mềm trong các bộ thu GNSS. ...........4 
Hình 1.3. Sơ đồ bộ thu thương mại. ............................................................................7 
Hình 1.4. Sơ đồ bộ thu phần mềm. ..............................................................................8 

Hình 2.1. Phổ biên độ và phổ pha của xung chữ nhật. .............................................12 
Hình 2.2. Hàm tự tương quan của xung chữ nhật.....................................................12 
Hình 2.3. Phổ mật độ năng lượng của xung chữ nhật. .............................................13 
Hình 2.4. Hàm tự tương quan của chuỗi xung ngẫu nhiên có biên độ 1. ..............15 
Hình 2.5. Mật độ phổ cơng suất của chuỗi xung ngẫu nhiên. ..................................15 
Hình 2.6. Phân tích wavelet đa phân giải. ................................................................18 
Hình 2.7. Tái tạo wavelet đa phân giải. ....................................................................19 
Hình 2.8. Lấy ngưỡng cứng và lấy ngưỡng mềm. .....................................................22 
Hình 2.9. Các thành phần tín hiệu GPS L1 - SPS. ....................................................23 
Hình 2.10. Sơ đồ bộ tạo mã C/A. ..............................................................................25 
Hình 3.1. Sơ đồ khối của thuật tốn bắt đồng bộ tuần tự. ........................................32 
Hình 3.2. Sơ đồ khối của thuật toán bắt đồng bộ song song miền tần số. ................34 
Hình 3.3. Sơ đồ khối của thuật tốn bắt đồng bộ song song miền pha mã. .............36 
Hình 3.4. Phân bố xác suất của phương thức NC (phải) và DF (trái). ....................41 
Hình 3.5. Thủ tục loại trừ nhiễu wavelet. .................................................................42 
Hình 3.6. Sơ đồ giải điều chế dữ liệu định vị. ...........................................................43 
Hình 3.7. Sơ đồ khối mạch bám đồng bộ trong máy thu GPS cơ bản. .....................45 
Hình 3.8. Mạch vịng Costas được dùng để bám sóng mang....................................45 
Hình 3.9. Đồ thị sai pha giữa tín hiệu tới và sóng mang cục bộ. .............................47 
Hình 3.10. Sơ đồ khối mạch vòng bám mã cơ bản. ..................................................48 
Hình 3.11. Dạng tín hiệu trong q trình bám mã. ..................................................48 
NGUYỄN HỮU ĐỨC
LỚP 10BĐTVT-KH

vii


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hình 3.12. Sơ đồ khối DLL với 6 bộ tương quan. .....................................................49 

Hình 3.13. Sơ đồ khối kết hợp vịng bám mã DLL và bám sóng mang PLL. ............51 
Hình 3.14. Sơ đồ khối một kênh bám đồng bộ hồn chỉnh. ......................................52 
Hình 5.1. Mã C/A. .....................................................................................................59 
Hình 5.2. Tương quan mã C/A. .................................................................................60 
Hình 5.3. Tín hiệu từ vệ tinh số 3. .............................................................................61 
Hình 5.4. Tín hiệu tổng hợp dùng cho bắt đồng bộ. .................................................62 
Hình 5.5. Bắt đồng bộ tuần tự với tín hiệu khơng có nhiễu. .....................................64 
Hình 5.6. Bắt đồng bộ tuần tự với tín hiệu có nhiễu. ................................................65 
Hình 5.7. Bắt đồng bộ song song miền tần số với tín hiệu khơng có nhiễu. .............66 
Hình 5.8. Bắt đồng bộ song song miền tần số với tín hiệu có nhiễu.........................67 
Hình 5.9. Bắt đồng bộ song song miền pha mã với tín hiệu khơng có nhiễu............68 
Hình 5.10. Bắt đồng bộ song song miền pha mã với tín hiệu có nhiễu. ...................69 
Hình 5.11. Bắt đồng bộ vi sai DF trước khi loại trừ nhiễu.......................................70 
Hình 5.12. Phân tích đa phân giải với 4 mức. ..........................................................72 
Hình 5.13. Chọn mức ngưỡng loại trừ nhiễu wavelet...............................................73 
Hình 5.14. Phân tích tín hiệu sau khi loại trừ nhiễu. ................................................74 
Hình 5.15. Bắt đồng bộ vi sai DF sau khi loại trừ nhiễu. .........................................75 
Hình 5.16. Các mã đúng, sớm, muộn và đầu ra bộ phân biệt trong bám đồng bộ. ..78 
Hình 5.17. Đầu ra đồng pha và vng pha trong bám đồng bộ. ..............................79 

NGUYỄN HỮU ĐỨC
LỚP 10BĐTVT-KH

viii


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Ấn định pha mã C/A..................................................................................26 

Bảng 5.1. Các tham số trong mơ phỏng tín hiệu.......................................................62 
Bảng 5.2. Các tham số tín hiệu trong mô phỏng bám đồng bộ.................................76 
Bảng 5.3. Các tham số trong mô phỏng bám đồng bộ. .............................................77 
Bảng 5.4. Dữ liệu trong các tín hiệu thành phần. .....................................................77 
Bảng 5.5. Kết quả mô phỏng bám đồng bộ. ..............................................................79 

NGUYỄN HỮU ĐỨC
LỚP 10BĐTVT-KH

ix


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ACF

Autocorrelation Function

Hàm tự tương quan

ADC

Analog-to-Digital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự sang số

ASIC

Application-Specific Integrated

Circuit

Mạch tích hợp chuyên dụng

BPSK

Binary Phase-Shift Keying

Điều chế pha nhị phân

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DLL

Delay Lock Loop

Vòng khóa trễ

DSP

Digital Signal Processing
Digital Signal Processor

Xử lý tín hiệu số
Bộ xử lý tín hiệu số

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

FLL

Frequency Lock Loop

Vịng khóa tần

FPGA

Field Programmable Gate
Array

Mảng cổng khả trình trường

GNSS

Global navigation satellite
system

Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

GPST

GPS Time

Thời gian GPS

IF

Intermediate Frequency

Trung tần

LFSR

Linear Feedback Shift Register

Thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính

NGUYỄN HỮU ĐỨC
LỚP 10BĐTVT-KH

x

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NCO

Numerically Controlled
Oscillator

Bộ tạo dao động được điều khiển
bằng số

PLL

Phase Lock Loop

Vịng khóa pha

PRN

Pseudo Random Noise

Nhiễu giả ngẫu nhiên

PSD

Power Spectral Density

Mật độ phổ công suất

RF

Radio Frequency

Cao tần

SDR

Software-Defined Radio

Hệ thống thông tin vô tuyến được
định nghĩa bằng phần mềm

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SPS

Standard Positioning Service

Dịch vụ định vị chuẩn

SVN

Space Vehicle Number

Số hiệu vệ tinh

UHF

Ultra High Frequency

Tần số siêu cao

VCO

Voltage Controlled Oscillator

Bộ tạo dao động được điều khiển
bằng điện áp

NGUYỄN HỮU ĐỨC
LỚP 10BĐTVT-KH

xi


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Hiện nay, khoa học kỹ thuật đang phát triển rất nhanh, nhu cầu sử dụng thông
tin ngày càng đa dạng. Xu hướng hội tụ trong lĩnh vực thông tin trở thành chủ đạo
nhằm đáp ứng các yêu cầu về hiệu quả kinh tế, kỹ thuật, dễ dàng sử dụng, nâng cấp,
và phù hợp tính đa chuẩn. Điều này thúc đẩy kỹ thuật SDR phát triển và đi vào ứng
dụng. Trong nghiên cứu và phát triển các bộ thu định vị vệ tinh có khả năng thu và

xử lý đồng thời nhiều tín hiệu từ các hệ thống vệ tinh khác nhau thì SDR là lựa chọn
thích hợp hàng đầu.

1.1. Giới thiệu về SDR
Tổ chức SDR Forum cộng tác với nhóm IEEE P1900.1 đã đưa ra một khái
niệm về SDR như sau:
“SDR là một hệ thống vô tuyến mà trong đó một số hoặc tất cả các chức năng
lớp vật lý được định nghĩa bằng phần mềm.”
Kỹ thuật SDR mang đến một giải pháp tương đối rẻ và hiệu quả, cho phép hỗ
trợ các thiết bị không dây đa mốt, đa băng và/hoặc đa chức năng mà có thể được
nâng cấp bằng cách sử dụng phần mềm.
SDR gồm tập hợp các kỹ thuật phần cứng và phần mềm trong đó một số hoặc
tất cả các chức năng hoạt động của hệ thống vô tuyến được triển khai thông qua các
phần mềm/ phần cứng có khả năng điều chỉnh hoạt động trên các kỹ thuật xử lý khả
trình. Những thiết bị này bao gồm FPGA, DSP hay các bộ xử lý khả trình khác.
Việc sử dụng những cơng nghệ này cho phép các tính năng vơ tuyến mới được thêm
vào các hệ thống đang tồn tại mà khơng cần địi hỏi phần cứng mới.
Với những nhà sản xuất thiết bị vô tuyến và những nhà tích hợp hệ thống,
SDR cho phép triển khai các sản phẩm trên một kiến trúc nền chung, sản phẩm mới
sẽ nhanh chóng được giới thiệu ra thị trường. Việc tái sử dụng và tái cấu hình trở

NGUYỄN HỮU ĐỨC
LỚP 10BĐTVT-KH

1


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

nên đơn giản, giúp giảm chi phí phát triển và cho phép sửa lỗi ngay khi hệ thống
đang làm việc, do đó làm giảm thời gian và chi phí vận hành, bảo dưỡng.
Với những nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến, SDR cho phép bổ sung các tính
năng mới vào cơ sở hạ tầng hiện có mà khơng tiêu tốn lượng vốn lớn, có thể kiểm
tra trước hệ thống sẽ triển khai. Việc sử dụng một nền tảng vô tuyến chung cho
nhiều thị trường sẽ làm giảm một cách đáng kể các chi phí hoạt động và trợ giúp.
Hơn nữa, việc tải phần mềm từ xa giúp kích hoạt các bản nâng cấp và cập nhật các
tính năng mới.
Với những người sử dụng đầu cuối, SDR giúp giảm chi phí truy nhập mạng
vơ tuyến rộng khắp, cho phép họ có thể liên lạc với bất cứ ai, bất kì lúc nào và trong
bất cứ phương thức nào thích hợp.
Tuy nhiên, khi băng thông từ hàng trăm MHz đến vài GHz cần sử dụng rất
nhiều mạch tương tự làm việc trong các băng tần khác nhau. Điều này rõ ràng sẽ
làm tăng độ phức tạp trong thiết kế cũng như tăng kích thước của thiết bị đầu cuối.
Mặt khác, khả năng của các bộ ADC vẫn chưa đủ để thực hiện quá trình số hóa tất
cả các tín hiệu thuộc nhiều chuẩn. Hơn nữa, để đáp ứng hoạt động trong thời gian
thực, các chức năng thực hiện bằng phần mềm như chuyển đổi tần số, lọc số và trải
phổ cần phải sử dụng các bộ DSP song song. Điều này đồng thời sẽ tạo ra những
vấn đề như độ phức tạp của mạch cao, tiêu thụ cơng suất lớn và sự lãng phí.
Tùy thuộc vào hệ thống được triển khai dựa trên SDR, cần phải phân tích
đúng đắn những ưu nhược điểm của các kỹ thuật cụ thể để tìm ra phương pháp áp
dụng tối ưu, đảm bảo hiệu quả kinh tế, kỹ thuật và sử dụng.

1.2. Các kiến trúc của bộ thu GNSS
Kiến trúc tổng quát của máy thu GNSS được chỉ ra như trong hình 1.1.

NGUYỄN HỮU ĐỨC
LỚP 10BĐTVT-KH

2


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Hình 1.1. Kiến trúc chung của bộ thu GNSS.
Phần RF gồm cả anten thu và Front-end, sau phần RF tín hiệu được gửi tới bộ
ADC và được chuyển sang miền số. Ngay sau đó là phần bắt đồng bộ, bám đồng bộ
và định vị rất phức tạp nhằm thu được lời giải vị trí - vận tốc - thời gian (PVT).
Việc ứng dụng kỹ thuật SDR tạo ra một bước tiến trong sự phát triển các bộ
thu GNSS hiện đại. Với kỹ thuật SDR, việc xử lý tín hiệu số được thực hiện thơng
qua một vi xử lý hoặc DSP khả trình thay vì sử dụng một mạch ASIC. Do đó tín
hiệu tương tự được xử lý trong phần cứng còn xử lý tín hiệu số được thực hiện
trong phần mềm, và điều này có những ưu điểm vượt trội.
Cách tiếp cận này đặc biệt quan trọng với GNSS, khi mà trong tương lai gần
sẽ có thêm nhiều tín hiệu được dùng cho mục đích định vị, dẫn đường, và định thời.
Người dùng các máy thu ASIC sẽ phải mua các phần cứng mới để truy nhập các tín
hiệu mới này, trong khi người sử dụng máy thu phần mềm sẽ chỉ cần nâng cấp phần
mềm để cho phép xử lý các tín hiệu mới.
Ranh giới giữa Front-end tương tự và Front-end số của một bộ thu phần mềm
(SW) có thể được chỉ ra như hình 1.2:
 Bộ thu hồn tồn cứng: phần xử lý tín hiệu số được thực hiện thơng qua
các phần cứng (HW) khơng thể tái cấu hình.
 Bộ thu được điều khiển bằng phần mềm: phần xử lý tín hiệu được thực
hiện thơng qua phần cứng nhưng được điều khiển thông qua phần mềm.
 Bộ thu SDR: phần xử lý tín hiệu được thực hiện bằng cách dùng hồn tồn
hoặc một phần các thiết bị có thể tái cấu hình sau một Front-end phần cứng được
theo sau bởi một ADC.

NGUYỄN HỮU ĐỨC
LỚP 10BĐTVT-KH

3


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

 Bộ thu phần mềm lý tưởng: ADC được đặt ngay sau anten và LNA, toàn
bộ phần xử lý được thực hiện thơng qua phần mềm.

Hình 1.2. Các mức phân chia phần cứng/phần mềm trong các bộ thu GNSS.
Có thể thấy hai kiểu kiến trúc SDR cho các bộ thu GNSS là kiến trúc hoàn
toàn mềm và kiến trúc lai phần cứng/phần mềm.
Kiến trúc hoàn toàn mềm: yêu cầu độ linh hoạt cao, tính tốn có thể dựa trên
máy tính, các hệ nhúng trong các thiết bị cầm tay, và khi nghiên cứu kiến trúc phi
thời gian thực có thể đảm bảo tính linh hoạt cao nhất, tuy nhiên thực tế chúng không
thể được coi là các bộ thu.
Kiến trúc dựa trên FPGA là kiểu kiến trúc lai phần cứng/phần mềm: cho hiệu
quả kích thước và cơng suất với khả năng lập trình trường. Thực tế chúng có khả
năng tái cấu hình thuật toán và kiến trúc, do vậy được chú ý nghiên cứu để phát

NGUYỄN HỮU ĐỨC
LỚP 10BĐTVT-KH

4

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

triển công nghệ SDR trên thị trường. Rõ ràng chúng có độ linh hoạt thấp hơn và độ
phức tạp lập trình cao hơn so với kiến trúc hồn tồn mềm.
Có nhiều hướng tiếp cận đã được đề xuất để thực hiện các bộ thu SDR đa
băng, đa chuẩn, đa mục đích. Các hướng này đều góp phần hồn thiện dần kiến trúc
SDR trong lý thuyết và triển khai thực tế.
Các nghiên cứu gần đây về Front-end số tập trung vào tính kinh tế, tức là các
kiến trúc có độ phức tạp thấp và giá thành thấp.
Để đánh giá tốt hơn về một thiết kế SDR cho các bộ thu GNSS, cần phải nhìn
lại các vấn đề đã gặp phải trước đây. Rất nhiều vấn đề đã được chỉ rõ trên toàn cầu,
với các kiến trúc khác nhau. Đầu cuối SDR được sử dụng phổ biến nhất là dựa trên
các bảng mạch với các giao diện riêng để kết nối phần RF và phần số. Tuy nhiên có
nhiều người sử dụng lợi dụng các đặc điểm của giao diện chuẩn (như PCI, SCA,
PC/104) để nối các bảng mạch RF và/hoặc số của họ vào.
Khi quan tâm đến giải pháp Front-end dựa trên một kiến trúc lai thì kiến trúc
giao tiếp phần mềm (SCA) thường được lựa chọn. SCA là một kiến trúc phần mềm
mở trong đó các nhà thiết kế phải biết cách làm hài hòa sự hoạt động của phần cứng
và phần mềm, nhằm tận dụng tính linh hoạt của SDR.
Việc sử dụng một máy thu GNSS nhúng trong một vi xử lý (hoặc một DSP)
xuất hiện theo cách thường gặp trên thị trường, giống như thị trường ứng dụng di
động. Các máy thu phần mềm đầu trên được mong đợi có thể dùng được trên các
nền máy tính trong tương lai gần. Các tín hiệu băng thơng cao ở các dải L1/L2 có
thể đã được chuyển và xử lý theo thời gian thực trong máy tính. Việc phát triển các
Front-end USB cho GPS và Galileo cũng đang được thực hiện. Hơn nữa các bộ thu
nhúng và bộ thu phần mềm đầu trên rõ ràng làm tốt hơn giải pháp phần cứng khi xét
đến chi phí phát triển và tích hợp, mặc dù sự tiêu thụ công suất vẫn là một vấn đề
mở.

NGUYỄN HỮU ĐỨC
LỚP 10BĐTVT-KH

5


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Cuối cùng, việc lựa chọn giữa DSP và các bộ xử lý phụ thuộc vào kiến trúc
đã chọn. Trong khi các DSP thường được trang bị như các chip độc lập trên các
bảng mạch số thì các bộ xử lý cho phép hợp nhất với FPGA.
Các ứng dụng dựa trên công nghệ GNSS đang đứng trước rất nhiều cơ hội
thương mại, đặc biệt khi công nghệ SDR được sử dụng cho các đầu cuối và các bộ
thu. Ngày nay công nghệ SDR chưa được dùng trong tất cả các ứng dụng có thể, tuy
nhiên có một triển vọng đầy hứa hẹn đối với việc tích hợp các dịch vụ GNSS (định
thời, định vị, dẫn đường) và các công nghệ khác (như truyền tin và/hoặc các công
nghệ định vị khác) sử dụng SDR trong tương lai gần.

1.3. Cấu trúc và hoạt động của các bộ thu GNSS
Sơ đồ máy thu GPS thương mại ngày nay hầu hết như sơ đồ hình 1.3. Một
anten nối với một thành phần phần cứng RF có nhiệm vụ khuếch đại, lọc, hạ tần, và
lấy mẫu tín hiệu.
Các mẫu tín hiệu số được cho qua một ASIC có chức năng thực hiện tương
quan số tốc độ cao với các mã, và tích lũy các kết quả theo chu kỳ mã. Sau đó, ở
một tốc độ (ví dụ) 1kHz với tín hiệu GPS L1, các kết quả tích lũy được đưa tới một
vi xử lý khả trình có nhiệm vụ điều khiển các vòng bám đồng bộ (tạo hồi tiếp tới
mạch điều khiển tần số/pha sóng mang và tốc độ mã) cùng với giải mã và xử lý

luồng dữ liệu định vị để xác định vị trí, vận tốc, và độ lệch đồng hồ của máy thu so
với GPS Time.

NGUYỄN HỮU ĐỨC
LỚP 10BĐTVT-KH

6


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Hình 1.3. Sơ đồ bộ thu thương mại.
Với kiến trúc này, các phần được phân định rõ ranh giới, tuy nhiên nó hạn
chế tính linh hoạt, mềm dẻo của kiến trúc máy thu với nhiều ứng dụng đáng chú ý.
Các bộ thu phần mềm thực hiện xử lý tín hiệu bằng một vi xử lý khả trình
hoặc DSP thay vì các thành phần phần cứng được sử dụng trong bộ thu truyền
thống. Theo đó tín hiệu tương tự sẽ bị phân tách ở phần cứng, xử lý tín hiệu hồn
tồn bằng phần mềm, điều này tạo ra tính linh hoạt tối đa.
Một bộ thu phần mềm lý tưởng thực hiện lấy mẫu trực tiếp từ tín hiệu RF
nhận được sau anten với một ADC cải tiến và xử lý tất cả các mẫu trong phần mềm
khi sử dụng một bộ xử lý khả trình.

NGUYỄN HỮU ĐỨC
LỚP 10BĐTVT-KH

7

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Hình 1.4. Sơ đồ bộ thu phần mềm.
Các chương tiếp theo sẽ nghiên cứu kiến trúc máy thu SDR đa kênh trong
GNSS, trong đó tập trung vào các khối được triển khai bằng phần mềm bao gồm bắt
đồng bộ, bám đồng bộ và định vị. Để có thể mơ phỏng hoạt động của kiến trúc này,
trước tiên tín hiệu GNSS được lấy mẫu ở trung tần phải được tạo ra. Chương 2 sẽ
trình bày về tín hiệu với cấu trúc, đặc điểm và các đặc trưng tốn học của nó.

NGUYỄN HỮU ĐỨC
LỚP 10BĐTVT-KH

8


CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT TÍN HIỆU
VÀ CƠ SỞ TỐN HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT TÍN HIỆU VÀ CƠ SỞ TOÁN HỌC
Trong các hệ thống định vị vệ tinh, chúng ta gặp hai loại tín hiệu: tín hiệu tất
định và tín hiệu ngẫu nhiên. Tín hiệu tất định có thể được mơ hình hóa bởi các biểu
thức tốn học, trong khi tín hiệu ngẫu nhiên là tín hiệu thu được tại bộ thu, ngồi
thơng tin nó bao gồm cả nhiễu từ tầng khí quyển và tạp âm từ mạch điện máy thu.
Chúng ta quan tâm đến cả hai loại tín hiệu với các đặc trưng của chúng như hàm tự
tương quan (ACF), hàm mật độ phổ công suất (PSD), và băng thơng (BW). Cùng
với đó, các cơng cụ toán học hiện đại sẽ được giới thiệu để phục vụ cho việc xử lý

tín hiệu trong kiến trúc SDR của bộ thu GNSS.

2.1. Các đặc trưng của tín hiệu
2.1.1. Tín hiệu tất định
Xét tín hiệu liên tục tất định

mang các giá trị thực hoặc phức với năng
|

lượng hữu hạn được xác định bởi

|

. Ký hiệu |. | để chỉ giá trị tuyệt

đối, hoặc độ lớn của đại lượng phức. Trong miền tần số, tín hiệu này được biểu diễn
bởi biến đổi Fourier của nó:
|
Trong đó
đơn vị của

và

√ 1 và

|

2.1

là tần số góc. Bằng cách định nghĩa

2

và các

tương ứng là radian/s và Hz. Thông thường biến đổi Fourier ở

dạng phức:
|

.
Đại lượng

.

thường được đề cập như là phổ của tín hiệu

đổi Fourier đo phổ của

. Tương tự ta có |
/

NGUYỄN HỮU ĐỨC
LỚP 10BĐTVT-KH

|.

2.2
bởi vì biến

| là phổ biên độ của

là phổ pha của

, và

. Và đại lượng

9


CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT TÍN HIỆU
VÀ CƠ SỞ TỐN HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

|

| là phổ mật độ năng lượng của

vì nó biểu diễn phân bố năng lượng như
|

một hàm của tần số. Ta ký hiệu
Biến đổi Fourier ngược

| .

của

là:

1
2
Chúng ta nói rằng

và

2.3
tạo thành một cặp biến đổi Fourier

⟷

.
của một tín hiệu liên tục

Phổ mật độ năng lượng

cũng có thể

được tính bởi hàm tự tương quan (ACF) của tín hiệu có năng lượng hữu hạn
Đặt * là ký hiệu biểu diễn liên hợp phức thì ACF của

được định nghĩa là:

∗

2.4

của

Và phổ mật độ năng lượng

.

được xác định như sau:
2.5

Ta cũng có

và

tạo thành một cặp biến đổi Fourier.

Với tín hiệu rời rạc, giả sử

là một chuỗi tất định các giá trị thực hoặc

phức, với n nguyên, nhận được từ phép lấy mẫu đều tín hiệu liên tục
có năng lượng hữu hạn

∑

|

|

. Nếu

∞ thì trong miền tần số nó được

biểu diễn như sau (biến đổi Fourier miền thời gian rời rạc):
2.6
hoặc tương đương với:
2.6

NGUYỄN HỮU ĐỨC
LỚP 10BĐTVT-KH

10


CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT TÍN HIỆU
VÀ CƠ SỞ TỐN HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Chú ý là chu kỳ của

là 2 .

là 1 còn chu kỳ của

Biến đổi Fourier rời rạc ngược

của

/

hoặc

được cho bởi:

1
2

/

2.7

Chú ý rằng các giới hạn tích phân có liên quan đến tính chu kỳ của phổ.
Chúng ta xét |

| là phổ mật độ năng lượng của
|

và ký hiệu là:

|

của tín hiệu rời rạc

Phổ mật độ năng lượng

cũng có thể được tính

theo chuỗi tự tương quan:
∗

2.8

thông qua biến đổi Fourier rời rạc:
2.9
Vậy trong miền tín hiệu rời rạc ta có cặp biến đổi Fourier:
Lấy ví dụ với một xung chữ nhật đơn

⟷

.

với biên độ 1 và độ rộng xung ,

trong miền thời gian liên tục được biểu diễn như sau:

Biến đổi Fourier của

1,|t| T/2
2.10
0,cịnlại

là:
2
2

Phổ biên độ |

| và phổ pha

Từ (2.4) ta có ACF
NGUYỄN HỮU ĐỨC

LỚP 10BĐTVT-KH

2

2.11

như trong hình 2.1.

của xung chữ nhật có dạng sóng tam giác, hình 2.2.

11


CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT TÍN HIỆU
VÀ CƠ SỞ TỐN HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

1

| |

,
0,

| |

2.12

cịnlại

Hình 2.1. Phổ biên độ và phổ pha của xung chữ nhật.

Hình 2.2. Hàm tự tương quan của xung chữ nhật.
Phổ mật độ năng lượng

NGUYỄN HỮU ĐỨC
LỚP 10BĐTVT-KH

của

là hàm thực do

∗

:

12


CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT TÍN HIỆU
VÀ CƠ SỞ TỐN HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

2.13

cos
Phổ mật độ năng lượng của xung chữ nhật

là (hình 2.3):
2

cos

2

2

2.14

Hình 2.3. Phổ mật độ năng lượng của xung chữ nhật.
Trong miền thời gian rời rạc, xung chữ nhật có dạng:
1,0 n N 1
2.15
0,cònlại
N là một số nguyên. Biến đổi Fourier của
sin
sin

là:
2.16

2.1.2. Tín hiệu ngẫu nhiên
Một q trình ngẫu nhiên có thể được xem là ánh xạ các kết quả của một
phép thử ngẫu nhiên tới một tập các hàm của thời gian - trong ngữ cảnh này là một
NGUYỄN HỮU ĐỨC
LỚP 10BĐTVT-KH

13