Định nghĩa

Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (GNSS) hoạt động ổn định trong mọi điều kiện thời tiết và  bất kỳ thời điểm nào. Nhờ đó, nó được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực để xác định vị trí, tốc độ và thời gian (PVT).  

Tín hiệu GNSS vốn rất yếu, nên dễ bị ảnh hưởng bởi các loại nhiễu – dù vô tình hay cố ý. Để máy thu GNSS vẫn hoạt động tốt trong môi trường khắc nghiệt (cả dân sự lẫn quân sự), người ta đã phát triển nhiều kỹ thuật chống nhiễu. Những kỹ thuật này loại bỏ nhiễu băng hẹp và băng rộng ở cả miền thời gian lẫn miền không gian.

Nhưng các kỹ thuật chống nhiễu chỉ thực sự hiệu quả khi phần đầu vào analog của máy thu (gọi tắt là AFE – gồm ăng-ten, mạch RF và bộ chuyển đổi analog-sang-số) hoạt động ở chế độ tuyến tính với toàn bộ tín hiệu, nhiễu và tạp âm đầu vào.  

AFE chính là “điểm yếu” của hệ thống. Khi gặp nhiễu mạnh, nó dễ rơi vào trạng thái bão hòa – nghĩa là bị quá tải, làm méo tín hiệu đầu vào. Bão hòa là trường hợp nghiêm trọng nhất khi nhiễu quá lớn. Dải động tuyến tính của AFE quyết định mức nhiễu tối đa mà các kỹ thuật chống nhiễu có thể xử lý. Vì vậy, việc mở rộng dải động này để tránh bão hòa trong môi trường nhiễu mạnh là rất quan trọng để nâng cao khả năng chống nhiễu của máy thu.

Gần đây, đã có một số cách tiếp cận để giảm bão hòa ở AFE.  

Ví dụ, có nghiên cứu dùng bộ lọc chặn dải để giảm nhiễu từ ngoài băng tần hoặc gần băng tần. Một hướng khác là thiết kế hai mô-đun ăng-ten thông minh, có thể tự động phát hiện, nhận diện và cô lập nguồn nhiễu. Chúng tự chuyển đổi độ lợi phù hợp với mức nhiễu để tránh quá tải AFE. Một cách khác là dùng bộ điều khiển độ lợi tự động (AGC) rất chậm và ổn định đặt ở AFE, giúp tránh bão hòa khi có sóng nhiễu liên tục.  

Cả hai phương pháp trên đều điều chỉnh độ lợi của AFE theo tình hình thực tế để giữ cho nó không bị bão hòa.  

Tuy nhiên, hầu hết các giải pháp này chỉ tập trung vào nhiễu băng hẹp và thường dùng cho máy thu một ăng-ten.  

Còn với nhiễu băng rộng mạnh – vốn nằm trong dải tần GNSS và thường là nhiễu cố ý – thì rất ít giải pháp được đề cập. Những phương pháp hiện có chủ yếu áp dụng cho hệ thống nhiều ăng-ten (array).  

Lý do:  

- Bộ lọc chặn dải không thể loại bỏ nhiễu trong băng.  

- Nhiễu băng rộng thường mạnh hơn nhiều so với nhiễu băng hẹp (vốn chủ yếu là vô tình).  

- Nếu giảm độ lợi AFE quá mức để tránh bão hòa, tín hiệu GNSS yếu sẽ không được khuếch đại đủ, dẫn đến tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) sau khi lấy mẫu bị giảm mạnh.  

Vì vậy, các phương pháp xử lý bão hòa hiện tại không phù hợp với tình huống có nhiễu băng rộng mạnh.

Lịch sử của GNSS

Cơ sở của GNSS và các công nghệ của nó là sử dụng sóng vô tuyến để liên lạc và theo dõi vị trí. Những nỗ lực này đã được áp dụng vào không gian khi Liên Xô phóng Sputnik 1 lên quỹ đạo thấp vào năm 1957.

Sputnik, vệ tinh nhân tạo đầu tiên của Trái đất, đã truyền các xung vô tuyến để các nhà khoa học tìm hiểu về mật độ khí quyển của chúng ta và thử nghiệm các phương pháp theo dõi quỹ đạo bằng sóng vô tuyến và quang học. Do môi trường chính trị, nó cũng đã châm ngòi cho cuộc chạy đua không gian giữa Liên Xô và Hoa Kỳ. Các nhà khoa học Mỹ đã theo dõi các xung vô tuyến của Sputnik bằng cách sử dụng hiệu ứng Doppler, một phương pháp mà từ đó đã dẫn đến hệ thống vệ tinh dẫn đường của hải quân, còn được gọi là Transit.

Transit trở thành hệ thống định vị địa lý dựa trên vệ tinh đầu tiên vào năm 1960 và được sử dụng chủ yếu bởi lực lượng Hải quân bắt đầu từ năm 1964. Công nghệ định vị này vẫn dựa trên việc sử dụng hiệu ứng Doppler để xác định vị trí của bạn đến hoặc từ một vệ tinh, công nghệ này chỉ cung cấp phụ -độ chính xác.

Bộ lọc SAW

Bộ lọc cho phép tín hiệu đi qua trong dải thông và chặn các tín hiệu trong dải chặn. Bộ lọc tần số vô tuyến có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau. Bất kỳ vật thể nào trong thế giới thực cũng hấp thụ một phần năng lượng điện từ khi sóng đi qua nó. Vì vậy, đáp ứng dải thông của bộ lọc thực tế không bao giờ đạt chính xác 0 dB; thay vào đó, đường cong nằm thấp hơn, cho thấy một phần công suất tín hiệu bị mất.
Lý thuyết bộ lọc cho thấy một quy tắc thực tế quan trọng: đối với một bộ lọc có kích thước vật lý cố định, việc loại bỏ sắc nét hơn trong dải tần chặn luôn phải trả giá bằng tổn hao cao hơn trong dải tần thông. Nói cách khác, độ dốc cắt giảm càng lớn thì tín hiệu bị suy giảm càng nhiều ở những nơi bạn muốn tín hiệu đi qua. Một bộ lọc có thể loại bỏ các tín hiệu dải chặn mạnh hơn bộ lọc khác, nhưng nó cũng làm suy yếu tín hiệu mong muốn nhiều hơn. Các bộ lọc nhỏ hơn tuân theo cùng một mô hình—giảm kích thước làm tăng tổn thất trong dải thông.
Hai loại bộ lọc thường được tìm thấy nhất trong các máy thu GNSS hiện nay là bộ lọc gốm và bộ lọc sóng âm bề mặt (SAW). Chúng có thiết kế vật lý khác biệt.
Các phản hồi điển hình cho dải tần GNSS trên cho thấy bộ lọc SAW nhỏ hơn nhiều mang lại khả năng loại bỏ dải tần dừng mạnh hơn nhiều so với bộ lọc gốm, nhưng nó cũng gây ra tổn thất lớn hơn đáng kể trên dải thông – đúng như mối quan hệ giữa kích thước và tổn thất dự đoán.
Bất kỳ sự giảm nào trong công suất tín hiệu hữu ích đều ảnh hưởng đến hiệu suất của GNSS. Theo định lý Nyquist, tổn thất công suất tạo ra tiếng ồn bổ sung. Hiệu ứng kết hợp làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR), khiến việc theo dõi tín hiệu trở nên khó khăn hơn.

Giai đoạn đầu tiên trong chuỗi RF của máy thu có một tên gọi cụ thể: Bộ khuếch đại tiếng ồn thấp (LNA). Thành phần này xác định hệ số tạp âm tổng thể của toàn bộ hệ thống thu. Để đạt được tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm cao nhất có thể, bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA) thường được đặt cùng với chính ăng-ten, tạo thành thứ mà người ta thường gọi là ăng-ten "chủ động". Các nhà thiết kế mang lại cho LNA độ lợi cao và chỉ số nhiễu thấp nhất có thể. Các nguyên tắc cơ bản về ăng-ten và RF, đặc biệt là phương trình truyền Friis nổi tiếng, xác nhận rằng tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) vẫn nguyên vẹn sau khi tín hiệu rời khỏi LNA.Điều đó khiến LNA trở thành nạn nhân đầu tiên của việc gây nhiễu mạnh. Sự nhiễu sóng mạnh có thể làm quá tải nó và buộc nó phải hoạt động sai. Đồng thời, LNA phải chặn nhiễu không mong muốn trong khi vẫn duy trì tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) tốt nhất cho mọi thứ ở hạ nguồn. Để đáp ứng cả hai yêu cầu này, người ta thường kết hợp bộ lọc gốm và bộ lọc SAW. Một bố cục LNA phổ biến tuân theo một trình tự rõ ràng: bộ lọc gốm, tiếp theo là bộ khuếch đại thứ nhất, sau đó là bộ lọc SAW và cuối cùng là bộ khuếch đại thứ hai.Trực giác và phương trình Friis đều chỉ ra một chi tiết quan trọng: bộ khuếch đại đầu tiên cần có độ lợi lớn để hệ số tạp âm của hệ thống phụ thuộc gần như hoàn toàn vào bộ lọc gốm và giai đoạn ban đầu đó. Bộ lọc SAW gây suy hao đáng kể tín hiệu mong muốn, điều này thường làm tăng chỉ số nhiễu. Mức tăng mạnh từ bộ khuếch đại đầu tiên giúp giảm thiểu thiệt hại đó. Trong khi đó, bộ lọc SAW quyết định khả năng triệt tiêu nhiễu tốt đến mức nào. Mặc dù vậy, trong cấu hình này, bộ khuếch đại đầu tiên vẫn phải chịu phần lớn nhiễu vì bộ lọc gốm phía trước nó chỉ có khả năng loại bỏ ở mức độ vừa phải.