Luận án Xây dựng hệ thống xử lý tín hiệu số trong hệ định vị vô tuyến

Nội dung tài liệu: Luận án Xây dựng hệ thống xử lý tín hiệu số trong hệ định vị vô tuyến

1. 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 Hà nội, 2010
2. 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 công 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. Mô phỏng quá 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. Mô phỏng việc tính toán mối quan hệ giữa PD, Pfa, và tỉ số SNR .. 53 1
3. 2.2.2.4. Mô 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 vòng 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
4. DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ............................................................................................................... 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 123 3
5. 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 thông BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân CCS Code Composer Studio Môi 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 GNN Mã giả ngẫu nhiên IAGC 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 thông thấp MDS Minimum Detectable Signal Tín hiệu có thể phát hiện nhỏ nhất PAT Power Amplifier Transmitter Khối phát khuếch đại công suất 4
6. PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất PLL Phase Lock Loop Vòng 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
7. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Các chuỗi mã Barker ................................................................................. 26 Bảng 2.2 Các thông 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 thông số mạch dải tính toán theo phần mềm ADS ........................... 109 6
8. 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 Mô 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 Mô 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 Mô 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
9. 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 Mô tả thời gian báo động lầm .................................................................. 49 -2 Hình 2.28 PDF của nhiễu, nhiễu + tín hiệu khi Pfa = 10 ....................................... 50 Hình 2.29 Sự trở về từ mục tiêu của các mô 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 không tích lũy và tích lũy không tương can của mô hình Swerling V ............................ 56 -12 Hình 2.33 PD(SNR), Pfa = 10 trong Swerling I, II, III, IV cho trường hợp không tích lũy và tích lũy không tương can .................................................................... 56 -12 Hình 2.34 PD (SNR), Pfa = 10 chung cho cả 5 mô hình khi np = 1 ........................ 57 -12 Hình 2.35 PD(SNR), Pfa = 10 , 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 thông thấp 8 mắt lọc FIR ................................................ 65 Hình 2.43 Mô 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 Mô 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
10. 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 thông 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 vòng 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 mô-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