Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Nghiên cứu thiết kế chế tạo modul xử lý tín hiệu định hướng trên nền công nghệ f...

Tài liệu Nghiên cứu thiết kế chế tạo modul xử lý tín hiệu định hướng trên nền công nghệ fpga

.DOC
83
360
129

Mô tả:

Modul xử lý làm hai nhiệm vụ: - Định hướng nguồn bức xạ vô tuyến - Phân tích phổ tín hiệu thu được
1 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU......................................................................................................3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG VÔ TUYẾN VÀ THUẬT TOÁN FFT...............................................5 1.1 Phương pháp định hướng biên độ pha Watson-Watt....................................6 1.1.1 Nguyên tắc....................................................................................................6 1.1.2 Ưu điểm và nhược điểm.............................................................................10 1.2 Phương pháp định hướng theo biên độ.......................................................10 1.2.1 Nguyên tắc..................................................................................................10 1.2.2 Ưu điểm và nhược điểm.............................................................................11 1.3 Phương pháp định hướng Doppler.............................................................11 1.3.1 Nguyên tắc..................................................................................................11 1.3.2 Ưu điểm và nhược điểm.............................................................................12 1.4 Phương pháp định hướng giao thoa............................................................13 1.4.1 Nguyên tắc..................................................................................................13 1.4.2 Ưu điểm và nhược điểm.............................................................................13 1.5 So sánh các phương pháp định hướng........................................................14 1.6 Thuật toán FFT...........................................................................................15 1.7 Kết luận chương 1......................................................................................20 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ VÀ PHẦN CỨNG THỰC THI THIẾT KẾ..........................................................................................................21 2.1 Công nghệ FPGA và ngôn ngữ lập trình phần cứng VHDL......................21 2.1.1 Công nghệ FPGA.......................................................................................21 2.1.2 Ngôn ngữ lập trình phần cứng VHDL........................................................22 2.2 Công cụ System Gennerator và lập trình nhúng EDK...............................24 2.2.1 Công cụ System Gennerator.......................................................................24 2.2.2 Công cụ lập trình nhúng EDK....................................................................27 2.3 Lập trình hướng đối tượng trên phần mền Borland C++ Builder 5.0........29 2 2.4 Lựa chọn phần cứng thực thi thiết kế.........................................................31 2.5 Kết luận chương 2.....................................................................................39 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ THỬ MODUL XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐỊNH HƯỚNG TRÊN TRUNG TẦN 10.7 MHZ......................................................41 3.1 Xây dựng chương trình theo sơ đồ thiết kế................................................44 3.1.1 Xây dựng Modul tính góc phương vị để xác định hướng nguồn bức xạ vô tuyến………........................................................................................................44 3.1.2 Xây dựng Modul phân tích phổ tín hiệu trên miền tần số bằng thuật toán FFT 1024 điểm…………....................................................................................48 3.2 Thiết kế Modul xử lý tín hiệu định hướng trên trung tần 10.7Mhz...........50 3.2.1 Viết chương trình nạp cho Kít Spartan3 xc3s200-tq144............................50 3.2.2 Viết chương trình nạp cho Kit Virtex4 ML402..........................................51 3.2.3 Viết chương trình hiển thị góc phương vị trên máy tính............................52 3.2.4 Sản phẩm thiết kế.......................................................................................53 3.3 Thử nghiệm, đánh giá khả năng làm việc của sản phẩn thiết kế................53 3.3.1 Kết quả làm việc của Modul tính góc phương vị.......................................54 3.3.2 Kết quả làm việc của Modul phân tích phổ................................................56 KẾT LUẬN........................................................................................................62 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................63 PHỤ LỤC...........................................................................................................64 1. Mã nguồn chương trình nạp cho Kit Spartan3 xc3s200-tq144.......................64 2. Mã nguồn chương trình nạp cho Kit Virtex4 xc4vsx35-10ff668....................67 3. Mã nguồn chương trình hiển thị góc phương vị trên máy tính.......................74 3 LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, có nhiều thế hệ máy thu định hướng được sản xuất, phục vụ cho cả nhiệm vụ quân sự và các ứng dụng dân sự. Song song với nó là các Modul về xử lý tín hiệu định hướng, phân tích các tham số tín hiệu cũng ra đời. Các thiết bị này được chế tạo chủ yếu vẫn theo những phương pháp truyền thống nhưng hiệu quả vẫn rất cao, ví dụ như các máy thu định hướng theo phương pháp pha biên độ Watson-Watt, phương pháp Doppler, phương pháp giao thoa… Việc xử lý tín hiệu định hướng hiện nay đã được hiện thực hóa bằng các phần mền và cũng đã được tích hợp vào hệ thống thu định hướng để nâng cao hiệu quả trinh sát và phân tích tín hiệu. Ở Việt Nam, đối với ngành Tác chiến Điện tử (TCĐT) các trang thiết bị phục vụ cho bài toán trinh sát còn thiếu thốn và chủ yếu là những trang thiết bị cũ do các nước xã hội chủ nghĩa sản xuất từ những thập niên 70, 80 về trước. Việc xử lý tín hiệu của các thiết bị này chủ yếu vẫn là xử lý tương tự và ở tần số thấp (P378A xử lý ở trung tần 35Khz…). Các trang thiết bị TCĐT mua sắm mới đây đã sử dụng những công nghệ hiện đại như: công nghệ xử lý số, công nghệ FPGA, công nghệ nhúng..., điều đó đã đặt ra vấn đề nghiên cứu, khai thác, tiến tới làm chủ các công nghệ này đối với lĩnh vực kỹ thuật thuộc ngành TCĐT. Cụ thể đó là việc chế thử các hệ thống mới theo nguyên lý giống như vậy, hoặc tiến hành lai ghép giữa các Modul đã có bằng cách tích hợp các khối đơn thành một thiết bị hoàn chỉnh giúp cho sản phẩm được ra đời nhanh chóng và giảm giá thành sản xuất. Để đáp ứng tình hình đó thì việc nghiên cứu thiết kế các Modul phục vụ cho trinh sát điện tử là vấn đề rất cần thiết. Hiện nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, đặc biệt là công nghệ số mà phổ biến là công nghệ FPGA đã cho ra đời nhiều sản phẩm phục vụ cho cả dân sự và quân sự. Một hướng đi đó là kết hợp các máy thu thương mại giá thành rẻ với các Modul xử lý tín hiệu để xây dựng và phát triển các ứng dụng thực tế… Bên cạnh đó, tốc độ số hóa của các ADC (Analog to Digital Convert) ngày càng cao và giá thành có thể chấp nhận được, cho phép chúng ta có thể số hóa tín hiệu tương tự ở các 4 trung tần cao hơn, thậm chí có thể xử lý số hóa ở ngay phần cao tần. Do đó em đã chọn đồ án: “ Nghiên cứu thiết kế chế thử Modul xử lý tín hiệu định hướng trên trung tần 10.7 Mhz ”, đây là trung tần phổ biến trên các máy thu hiện nay. Mục tiêu mà đồ án đặt ra là thiết kế hoàn chỉnh Modul xử lý tín hiệu định hướng trên trung tần 10.7 Mhz trên nền công nghệ FPGA phục vụ cho bài toán trinh sát điện tử. Cụ thể là xây dựng 2 Modul con: Modul thứ nhất: Xử lý, tính toán góc phương vị để xác định hướng nguồn bức xạ vô tuyến. Modul thứ hai: Phân tích tín hiệu thu được trên miền tần số theo thuật toán FFT, qua đó quan sát, phân tích một số tham số của tín hiệu như: dạng phổ, cường độ, mật độ phổ, dạng điều chế. Để thực hiện mục tiêu đặt ra, đồ án được xây dựng thành 3 chương, cụ thể như sau:  Chương 1: Tổng quan về một số phương pháp định hướng vô tuyến và thuật toán FFT.  Chương 2: Lựa chọn công nghệ và phần cứng thực thi thiết kế.  Chương 3: Thiết kế chế thử Modul xử lý tín hiệu định hướng trên trung tần 10.7 Mhz. Sau thời gian làm đồ án, dù đã cố gắng nỗ lực của bản thân nhưng do hạn chế về kinh nghiệm và kiến thức nên em đã gặp không ít khó khăn, song dưới sự chỉ bảo giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy, Cô giáo trong Khoa VTĐT và Bộ môn TCĐT, đặc biết là Thầy giáo Thượng tá, tiến sĩ Nguyễn Huy Hoàng đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện đồ án không thể tránh khỏi những sai sót, hạn chế. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của Thầy, Cô để đồ án ngày càng hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cám ơn ! 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG VÔ TUYẾN VÀ THUẬT TOÁN FFT Hiện nay, nếu phân loại phương pháp định hướng theo biên độ và phương pháp định hướng theo pha thì có 4 phương pháp định hướng cơ bản trong việc xác định hướng nguồn bức xạ vô tuyến và đây cũng là các phương pháp được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống định hướng, cụ thể: - Phương pháp định hướng theo biên độ với việc sử dụng trực tiếp giản đồ hướng của anten (phương pháp cực đại, phương pháp cực tiểu, phương pháp cân bằng tín hiệu). - Phương pháp định hướng biên độ pha Watson-Watt. - Phương pháp định hướng Doppler. - Phương pháp định hướng giao thoa. Quá trình tìm hiểu và thiết kế modul tính toán góc phương vị, với những ưu, khuyết điểm của các phương pháp định hướng, đồ án đã lựa chọn phương pháp định hướng biên độ pha Watson-Watt để xác định hướng nguồn bức xạ vô tuyến. Đây là phương pháp được sử dụng nhiều trong các thiết bị định hướng thuộc Cục TCĐT. Phần thuyết minh này, đồ án sẽ đi sâu phân tích chi tiết cơ sở lý thuyết, những ưu, nhược điểm của phương pháp này. Bên cạnh đó là những phần lý thuyết sơ lược, những ưu khuyết điểm của các phương pháp khác và cuối cùng là phần so sánh các phương pháp định hướng nguồn bức xạ vô tuyến. Cụ thể từng phần sẽ được trình bày ở phần dưới. Bên cạnh việc xác định hướng nguồn bức xạ vô tuyến, nhiệm vụ của bài toán trinh sát đặt ra còn có hai công việc quan trọng là: xác định vị trí nguồn bức xạ vô tuyến và phân tích các tham số tín hiệu của nguồn bức xạ. Do thời gian nghiên cứu ngắn, cũng như tầm hiểu biết của bản thân còn hạn chế, vì vậy đồ án xin đi nghiên cứu thuật toán FFT để phân tích một số tham số tín hiệu trên miền tần số. Thực chất của thuật toán là là chuyển đổi từ phân tích tín hiệu trên miền thời gian sang phân tích tín hiệu trên miền tần số. Phần lý thuyết cụ thể của thuật 6 toán và những ưu điểm của việc phân tích tín hiệu trên miền tần số so với miền thời gian sẽ được trình bày trong phần 1.6. 1.1 Phương pháp định hướng biên độ pha Watson-Watt 1.1.1 Nguyên tắc Việc xác định góc tới của nguồn bức xạ vô tuyến dựa trên cơ sở đo giá trị biên độ của tín hiệu tại các cặp anten được bố trí vuông góc với nhau, sau đó dựa trên tỉ số biên độ của hai tín hiệu thu được này để đưa ra thông tin góc phương vị. Anten sử dụng trong phương pháp này là anten thẳng đứng đơn cực hoặc lưỡng cực ít nhạy đối với thành phần trường điện nằm ngang. Các hệ thống anten này được gọi là hệ thống anten U Adcock trong dải sóng ngắn hoặc hệ thống H Adcock trong dải sóng cực ngắn. Anten Adcock thường bao gồm 4 chấn tử, bố trí cố định thành hai cặp theo hướng Bắc – Nam và Đông – Tây. Kích thước và khoảng cách giữa các chấn tử được thiết kế, lựa chọn để đảm bảo độ nhạy thu và tính chính xác định hướng trong dải tần làm việc. Ở giữa anten có bố trí một mạch tạo điện áp. Mạch này có nhiệm vụ biến đổi các sức điện động cảm ứng trên các chấn tử anten thành các điện áp có giá trị biên độ tỉ lệ với sin hoặc cosin của góc sóng tới . Hình 1.1 Anten Adcock 4 chấn tử 7 Sau đây, đồ án xin phân tích nguyên tắc tạo các tín hiệu mang thông tin về góc phương vị của anten Adcock. Trước hết, ta xét cặp chấn tử Bắc – Nam, cách nhau một khoảng b, góc hướng tới của sóng là , như hình 1.2: Hình 1.2 Phân tích nguyên tắc tạo các tín hiệu mang thông tin về góc phương vị của anten Adcock Ta có cường độ trường tác động lên hệ thống anten: E = E0 sin (t + ) (1.1) Trong đó: : tần số góc của tín hiệu 2 : độ lệch pha tạo bởi đường truyền và được tính:    l (l là quãng đường truyền lan sóng tới điểm cần xét) Biên độ E0 trên khoảng cách không lớn giữa các chấn tử anten thay đổi không đáng kể, ta coi là bằng nhau. Sóng từ đài phát tới chấn tử 1 tạo ra điện áp cảm ứng: U1 = U0 sin (t  2  (1.2) l1) Sóng từ đài phát tới chấn tử 2 tạo ra điện áp cảm ứng:   U2 = U0 sin t  2  (l1  l)    2 Vậy pha ở chấn tử 2 sẽ chậm pha hơn chấn tử 1 một lượng:    Do: l  b cos  2 nên:    b cos (1.3) l (1.4) 8 Như vậy, điện áp cảm ứng ở hai chấn tử là hai điện áp có giá trị biên độ 2 bằng nhau nhưng lệch pha nhau một góc:    b cos  Ta có thể biểu diễn hai véc tơ U1 và U2 thành hai thành phần (hình 1.2): U1 = U’1 + U’’1 U2 = U’2 + U’’2 Trong đó: U’1 và U’2 là hai thành phần đồng pha. U’’1 và U’’2 là 2 thành phần ngược pha. U’1 = U’2 = U0 cos /2 U’’1 = U’’2 = U0 sin /2 Ở đây: U0 = U1 = U2 là giá trị biên độ điện áp cảm ứng trên các chấn tử. Gọi: U là biên độ tổng các thành phần đồng pha U là biên độ tổng các thành phần ngược pha     Ta có: U = 2U0 cos /2 = 2U0 cos   b cos   (1.5)     U = 2 U0 sin /2 = 2U0 sin   b cos   (1.6)  Khi thỏa mãn điều kiện triển khai:  b  1, tức là b   thì áp dụng công thức sinx  x và cosx  1 khi x1 ta sẽ có:       U = 2U0 cos   b cos    2U0    U = 2 U0 sin   b cos     2U 0  b cos       Nếu đặt 2U 0  b  (1.7) = Udh0 thì ta có: U = 2U0 U = Udh0 cos (1.8) Đến đây, ta thấy rằng thông tin về hướng của nguồn phát xạ được xuất hiện trong thành phần U. Thành phần U không mang thông tin về hướng. 9 Xét tương tự với cặp chấn tử anten Đông – Tây ta cũng sẽ có: U = 2U0 U = Udh0 sin (1.9) Vậy dạng điện áp tổng hợp ở đầu ra anten Adcock(đầu ra bộ tạo điện áp): UBN = Udh0 cos sin(t + ) UĐT = Udh0 sin sin(t + ) Uvô hướng = 2U0 sin(t + ) (1.10) Mạch tạo điện áp có nhiệm vụ lấy tổng các thành phần điện áp đồng pha và ngược pha của các cặp chấn tử. Như vậy, ở đầu ra anten Adcock ta đã nhận được các giá trị điện áp mà thông tin về hướng tới (cos và sin) nằm trong thành phần biên độ của chúng. Trên cơ sở các điện áp này, bằng các phương pháp xử lý (biến đổi và chỉ thị thông tin) khác nhau ta sẽ nhận được giá trị hướng sóng tới . Tất cả các phương pháp xử lý để biến đổi và chỉ thị thông tin góc phương vị  đều nhằm mục đích là thực hiện phép tính:  = arctang(UĐT /UBN) (1.11) Nghiệm của phương trình (1.11) là đa trị:  ± k (với k = 1, 2, 3, …) Để lấy đơn trị kết quả , phải thực hiện thêm việc xét dấu của hàm sin và cos để đưa ra quyết định  thuộc góc phần tư nào. Từ đó quyết định lấy nghiệm đơn trị  thuộc cung phần tư đó. Sơ đồ chức năng đơn giản của hệ thống định hướng Adcock - Watson Watt được chỉ ra trên hình 1.3. 10 Hình 1.3 Sơ đồ khối máy thu định hướng Adcock - Watson Watt Tín hiệu từ anten Adcock đưa tới máy thu nhiều kênh gồm U BN, UĐT và UVH. Kênh vô hướng được sử dụng để loại bỏ tính đa trị của giá trị góc phương vị  và để phân tích thu nghe kiểm tra. 1.1.2 Ưu điểm và nhược điểm Ưu điểm của phương pháp này là xử là thời gian định hướng rất nhanh. Tốc độ định hướng chỉ phụ thuộc vào đặc tính thời gian của bộ lọc và của khối tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại của máy thu. Độ chính xác góc phương vị không bị ảnh hưởng bởi phương pháp điều chế tín hiệu phát. Việc xác định tín hiệu đài phát có thể thực hiện thông qua phối hợp tín hiệu âm thanh với hiển thị hình ảnh phương vị. Phương pháp này cũng cho phép chỉ thị các nhiễu giao thoa đồng kênh không tương quan. Các nhược điểm chính của phương pháp Watson-Watt với anten Adcock là chỉ dùng hệ thống anten có độ mở nhỏ. Và do yêu cầu “độ mở anten hẹp” nên phương pháp định hướng này rất nhạy với vấn đề đa đường truyền dẫn. Đồng thời nó chỉ có thể đo và chỉ thị được góc phương vị. Do đó, trong trường hợp định hướng theo sóng trời thì không có thông tin về góc tà. Phương pháp định hướng này yêu cầu hệ thống thu đa kênh. Để có thể đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu, phương pháp định hướng này cần phải có tất cả ba kênh thu (Bắc/Nam, Đông/Tây và kênh vô hướng), hệ thống cáp nối giữa các anten và thiết bị định hướng cơ sở làm việc đẳng pha và đẳng biên. 1.2 Phương pháp định hướng theo biên độ 1.2.1 Nguyên tắc 11 Sử dụng biên độ tín hiệu thu được bởi hệ anten có giản đồ hướng cực đại hoặc cực tiểu hoặc so sánh biên độ của hai tín hiệu thu được bởi hai anten giống nhau của một hệ hai anten. Để xác định hướng nguồn phát người ta phải căn cứ vào đặc tính truyền lan của sóng điện từ. Thông tin về hướng tới được chứa trong trạng thái vectơ cực tính (các đường E hoặc H) và trong mặt phẳng pha. Các phương pháp định hướng đều dùng một trong các đặc tính này để xác định hướng.   Hướng sóng tới   Mặt đồng pha Hướng sóng tới Hình 1.4 Thông tin hướng tới của sóng điện từ Bên dưới là sơ đồ khối hệ thống định hướng theo phương pháp so sánh biên độ: Bắc  U1()  U() = U1- U2 ) Mạch quyết định U()=U1-U2  U2() Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống định hướng so sánh biên độ 1.2.2 Ưu điểm và nhược điểm Ưu điểm của phương pháp định hướng theo biên độ là có kỹ thuật thực hiện đơn giản. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là độ nhậy thấp, độ chính xác không cao và thời gian đo dài (từ 1s đến 2s) vì quay anten thực hiện bằng cơ khí. 12 Do vậy kỹ thuật định hướng theo biên độ ít được sử dụng trong trinh sát vô tuyến mặt đất. 1.3 Phương pháp định hướng Doppler 1.3.1 Nguyên tắc Hiệu ứng Doppler là hiệu ứng mà tần số của tín hiệu thu được bị thay đổi so với tần số của tín hiệu được phát đi do sự chuyển động tương đối giữa điểm phát và điểm thu trong quá trình truyền sóng. Tần số tức thời của tín hiệu nhận được trên anten thu tăng khi anten thu dịch chuyển đến gần đài phát và ngược lại, tần số tức thời của tín hiệu thu được trên anten thu giảm khi anten di chuyển xa đài phát. Bên dưới là sơ đồ khối hệ thống định hướng Doppler: Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ thống định hướng Doppler 1.3.2 Ưu điểm và nhược điểm Phương pháp định hướng Doppler có ưu điểm là hệ thống anten có thể được thiết kế với độ mở lớn so với bước sóng làm việc, sai số định hướng nhỏ với các sóng có góc tới lớn (ví dụ trong dải sóng ngắn). Không cần thiết phải đồng chỉnh đặc biệt cáp nối từ anten tới các thiết bị định hướng cơ sở, cho phép dùng máy thu tiêu chuẩn không cần các yêu cầu đặc biệt về biên độ và pha. Việc ứng dụng kỹ thuật số để tính toán góc phương hướng của tia sóng tới cho phép phương pháp này làm việc đơn giản và hoàn toàn tự động. Độ nhậy cao nhờ sử dụng bộ lọc định hướng tích hợp. 13 Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là cần phải dùng các anten thành phần nhỏ (đặc biệt trong dải tần số cao và siêu cao) để tránh hiện tượng ghép giữa các anten gần kề làm méo điều chế Doppler, tốc độ làm việc bị hạn chế do việc quay anten gây nên. Việc tăng tốc độ quay anten làm giảm mức độ bảo vệ kênh lân cận. Thời gian quay không thể giảm tuỳ ý, do vậy các hệ thống định hướng Doppler có thể được sử dụng trong một phạm vi hạn chế để xác định góc hướng của các đài phát tín hiệu nhảy tần trong trường hợp thời gian dừng của các tín hiệu này ít hơn 10ms. 1.4 Phương pháp định hướng giao thoa 1.4.1 Nguyên tắc Phương pháp định hướng giao thoa dùng kỹ thuật đo giao thoa để xác định hướng đài phát vô tuyến và được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau như: thiên văn, rađa và dưới nước. Nguyên lý đo giao thoa bao gồm đo trực tiếp các điện áp của các anten và dùng các điện áp này để tính toán sai lệch pha giữa các anten thành phần. Bên dưới là sơ đồ khối thiết bị định hướng dùng phương pháp đo giao thoa pha - pha băng hẹp: 14 Hình 1.7 Phương pháp đo giao thoa pha - pha băng thu hẹp 1.4.2 Ưu điểm và nhược điểm Phương pháp đo giao thoa “pha - pha” có ưu điểm là có khả năng dùng các hệ thống anten với độ mở lớn, do đó có khả năng làm giảm tối thiểu ảnh hưởng đa đường đến độ chính xác phép đo mà không giảm kích thước các anten và độ nhậy hệ thống. Nó có khả năng thích ứng với các cấu trúc hình học của hệ thống anten và cách xử lý kết hợp để đo góc hướng được ứng dụng trong ngành hàng không và hàng hải. Ngoài ra, còn có khả năng thích ứng để đo dải tần rộng và hẹp rất nhanh bởi việc sử dụng kỹ thuật phân tích phổ và phân tích không gian, cung cấp các biện pháp tương lai để xử lý các tín hiệu nhảy tần và tán xạ công suất. Phương pháp này có nhược điểm là yêu cầu các máy thu có đặc tính pha giống nhau để đảm bảo các tín hiệu thu không bị méo pha dẫn đến tăng sai số kết quả đo góc. 1.5 So sánh các phương pháp định hướng 15 Phương pháp định hướng biên độ đơn giản, giá thành rẻ, triển khai hệ thống dễ dàng nhưng độ nhạy thấp, độ chính xác không cao, thời gian đo khá dài. Phương pháp định hướng biên độ pha Watson-Watt có độ nhạy cao hơn, tốc độ định hướng nhanh hơn, thời gian đo được rút ngắn so với phương pháp định hướng biên độ nhưng thời gian đồng chỉnh kênh sau mỗi lần thay đổi tần số lại khá lớn. Phương pháp biên độ pha sử dụng anten Adcock hiện nay vẫn được sử dụng rộng rãi. Ngày nay với sự phát triển của nhiều công nghệ xử lý số tín hiệu thì phương pháp này vẫn được dùng bằng cách biến đổi pha hoặc biên độ thông qua phép xử lý số. Đây là một hướng phát triển của hệ thống định hướng. `Phương pháp Doppler đã khắc phục được một số nhược điểm của hai phương pháp trên nhưng thời gian đo vẫn còn khá dài, đo góc tà không chính xác và hệ thống anten có cấu trúc riêng yêu cầu hiệu chỉnh khá phức tạp. Phương pháp định hướng giao thoa có thể dùng được cấu trúc hệ thống anten tùy ý, do vậy có thể nâng cao độ chính xác và độ nhạy cho thiết bị định hướng. Thời gian đo tương đối nhanh. Song phương pháp này yêu cầu các máy thu có đặc tính pha giống nhau để bảo đảm các tín hiệu thu không bị méo pha. Theo sự phân tích ở trên thì phương pháp định hướng giao thoa là có tiềm năng phát triển mạnh trong tương lai, nhưng do thời lượng nghiên cứu ngắn và với những sự hiểu biết của bản thân nên đồ án chọn phương pháp định hướng biên độ pha Watson-Watt trong việc xác định hướng nguồn bức xạ vô tuyến. 1.6 Thuật toán FFT Do sự khó khăn khi phân tích tín hiệu trên miền thời gian, ví dụ như xác định mật độ công suất, sự phân bố tần số, dạng điều chế tín hiệu… Người ta đã nghĩ ra cách chuyển việc phân tích tín hiệu trên miền thời gian sang phân tích tín hiệu trên miền tần số để có thể đơn giản hóa quá trình phân tích mà trên miền thời gian khó có thể thực hiện được. Vì vậy mà thuật toán phân tích tín hiệu trên miền tần số DFT đã ra đời. 16 Quá trình tính trực tiếp DFT (Discrete Fourier Transform) - biến đổi fourier rời rạc khi độ dài của chuỗi tín hiệu rời rạc N lớn sẽ mất nhiều thời gian, ngay cả khi dùng máy tính có cấu hình cao. Để rút ngắn thời gian tính DFT, người ta xây dựng các thuật toán tính DFT nhanh, chúng được viết tắt theo tiếng Anh là FFT (Fast Fourier Transform). Có rất nhiều thuật toán FFT khác nhau, do hạn chế về thời lượng nên ở đây đồ án chỉ trình bầy thuật toán FFT phân chia theo thời gian. Cơ sở của thuật toán FFT phân chia theo thời gian là chia nhỏ dãy x(n) N (là tín hiệu rời rạc đã được số hoá) có độ dài N thành hai dãy có độ dài nhỏ hơn bằng cách phân tích N thành tích của hai thừa số nguyên: N = M. L (1.12) Nếu độ dài N nhỏ hơn tích số đã chọn thì có thể thêm vào dãy x(n) N các mẫu có giá trị 0 để tăng N. Bằng cách như vậy, có thể chuyển việc lưu giữ trong bộ nhớ dãy x(n) N có N phần tử (hình 1.8), thành mảng x(m, l) có M cột và L hàng với M. L = N phần tử. Nếu sắp xếp dãy x(n)N trong mảng x(m, l) theo cột như trên hình 1.9, thì chỉ số n tương ứng của dãy x(n)N sẽ là: n = l + mL n=0 x[0] 1 x[1] (1.13) 2 x[2] ...... ...... (N –1) x[N -1] Hình 1.8 Lưu giữ trong bộ nhớ dãy x(n)N . m=0 1 2 ...... (M –1) l=0 x[0] x[L] x[2L] ...... x[(M-1)L] 1 x[1] x[L+1] x[2L+1] ...... x[(M-1) 2 x[2] x[L+2] x[2L +2] ...... (L+1)] x[(M-1) . . . . . (L+2)] . 17 . . . . . . . . . . . (L-1) x[L -1] x[2L -1] x[3L -1] . ...... x[ML –1] Hình 1.9 Mảng x(m, l) sắp xếp theo cột: n = l + mL. Tương tự như vậy, cũng lưu giữ dãy X(k) N bằng mảng X(p, q), có M cột và L hàng với M. L = N phần tử. Khi dãy x(n) N đã được sắp xếp trong mảng x(m, l) theo cột như trên hình 1.9, thì dãy X(k) N phải được sắp xếp trong mảng X(p, q) theo hàng như trên hình 1.10, khi đó chỉ số k tương ứng của dãy X(k)N: k = pM + q p=0 (1.14) 1 2 ...... (M–1) q = 0 X[0] X[1] X[2] ...... X[M-1] 1 X[M] X[M+1] X[M+2] ...... X[2M-1] 2 X[2M] X[2M+1] X[2M+2] . ...... X[3M-1] . . . . . . . . . . . . . . . . . X[(L- X[(L-1) X[(L-1) 1)M] (M+1)] (M+2)] (L-1) ...... X[LM-1] Hình 1.10 Mảng X(p, q) sắp xếp theo hàng: k = pM + q. Do đó biểu thức của DFT có thể được biểu diễn như một tổng đúp trên các phần tử của hai mảng trên: 18 X ( p, q )  M 1 L1  j ( pM q ).(l mL ).1 x ( l , m ). e  (1.15) m0 l 0 Thay 1  2 e N , hệ số pha được tính cụ thể như sau:  j ( pM  q ).(l  mL ). 2N Trong đó : e  jpl . M . 2N e e Vậy: e e  jpmML. 2N  jqmL . 2 N e  j ( pM  q ).( l  mL ). 2N .e  jpmML. 2N .e  jql . 2N .e  jqmL. 2N  jp . 2 .l L e e  jpl . M . 2N  jpm. N . 2N  e  jpm.2  1  jq . 2M .m e  jq . 2N .l .e  .m  jq . 2M .e  jp . 2 .l L Do đó có thể viết lại (1.15) dưới dạng: X ( p, q )  2 .l   jq. 2N .l  M 1  jq . 2 . m    jp . M L . x ( l , m ). e . e e      l 0  m 0  L 1 (1.16) Theo biểu thức (1.16), thay vì phải tính DFT N điểm, cần tính các DFT M và L điểm, các bước thực hiện thuật toán FFT trên như sau: 1. Chuyển dãy x(n)N thành mảng x(m, l) xắp xếp theo cột, với kích thước mảng là M. L = N. 2. Tính L lần DFT M điểm cho các hàng x(m, l), với l = 0  (L -1) để nhận được mảng F(l, q): F (l , q )  M 1  x(l , m).e m  jq . 2M (1.17) m 0 3. Tính các phần tử của mảng G(l, q): G (l , q )  F (l , q ).e  jq . 2 .l (1.18) N 4. Tính M lần DFT L điểm cho các cột G(l, q), với q = 0  (M -1) để nhận được mảng X(p, q): (1.19) X ( p, q )  L 1  G (l , q).e l 0  jp . 2 .l L 19 5. Chuyển mảng X(p, q) thành dãy X(k)N sắp xếp theo hàng. Thoạt trông có cảm giác tính DFT theo thuật toán FFT như trên là phức tạp hơn. Tuy nhiên, hiệu quả của FFT sẽ chỉ thấy được khi so sánh số lượng các phép tính cần thực hiện. Chẳng hạn, so sánh trên số lượng các phép tính nhân và cộng số thực. Bước 2 cần tính L lần DFT M điểm, do đó cần thực hiện 2.L.M 2 phép nhân số thực , và 2.L.M.(M - 1) phép cộng số thực. Bước 3 cần thực hiện 2.L.M phép nhân số thực. Bước 4 cần phải tính M lần DFT L điểm, do đó cần thực hiện 2.M.L2 phép nhân số thực , và 2.M.L.(L - 1) phép cộng số thực. Tổng cộng số lượng phép nhân và phép cộng của thuật toán FFT phân chia theo thời gian là: - Phép nhân: 2.L.M2 + 2.L.M + 2.M.L2 = 2.N.(M + L + 1) - Phép cộng: 2.L.M.(M - 1) + 2.M.L.(L - 1) = 2.N.(M + L - 2) Như vậy, so với tính trực tiếp DFT thì tính theo thuật toán FFT đã giảm số phép nhân từ 2.N2 xuống còn 2.N.(M + L + 1), và số phép cộng thì giảm từ 2.N. (N - 1) xuống còn 2.N.(M + L - 2). Khi M = 2 người ta gọi là thuật toán FFT cơ số hai, khi M = 4 người ta gọi là thuật toán FFT cơ số bốn, chúng đều có thể được thực hiện theo một lớp hoặc nhiều lớp. Từ nguyên tắc đã được trình bầy ở trên, người ta xây dựng các thuật toán FFT cơ số hai phân chia theo thời gian, thuật toán FFT cơ số bốn phân chia theo thời gian... Mỗi thuật toán FFT cụ thể còn có những đặc điểm riêng khi đi sâu nghiên cứu chúng. Cũng theo nguyên tắc trên, nhưng thực hiện phân chia theo tần số, người ta xây dựng các thuật toán FFT cơ số hai phân chia theo tần số, thuật toán FFT cơ số bốn phân chia theo tần số. Trong phạm vi của đồ án, em lựa chọn giải thuật FFT 1024 điểm cơ số 2 phân chia theo thời gian. Ví dụ sơ đồ giải thuật FFT 8 điểm cơ số 2 phân chia theo thời gian: 20 Hình 1.11 Sơ đồ giải thuật FFT 8 điểm cơ số 2 phân chia theo thời gian thông qua 2 khối tính DFT 4 điểm Hình 1.12 Sơ đồ giải thuật FFT 8 điểm cơ số 2 phân chia theo thời gian. Các tham số quan trọng của quá trình biến đổi FFT đó là: - Số điểm FFT: số điểm càng cao thì sai số càng nhỏ. Nhưng nếu số điểm cao sẽ mất nhiều thời gian tính toán và truyền dữ liệu sau khi được số hóa. Trong thực tế người ta căn cứ vào độ phân giải tần số yêu cầu là bao nhiêu sau đó căn cứ vào tốc độ ADC để xác định số điểm FFT phù hợp. Trong phạm vi đồ án, với mục đích bước đầu làm quen với thuật toán FFT để phân tích tín hiệu, đồ án chỉ lấy số điểm FFT là N=1024=210.
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan