Những thách thức trong không gian tần số ngày càng dày đặc

Hiện nay, các tín hiệu có cường độ cực yếu trong không gian lại là yếu tố quyết định độ chính xác của hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu như GPS, Galileo hay BeiDou. Trong đó, bên cạnh yếu tố về khoảng cách, nhiễu được xem là thách thức lớn nhất tại băng tần 1.6 GHz (L1/E1/B1) - nơi tập trung phần lớn lưu lượng định vị thương mại. Bên cạnh đó, môi trường tần số vô tuyến hiện nay đang trở nên vô cùng hỗn loạn do sự bùng nổ của mạng 5G, từ đó tạo điều kiện cho sự phát triển của các sóng vệ tinh viễn thông và các thiết bị điện tử dân dụng. Để giải quyết các vấn đề này, các nhà phát triển đang rất cần một thiết bị có thể kiểm soát nghiêm ngặt các tín hiệu ra vào, từ đó đảm bảo rằng chỉ những tín hiệu định vị thuần khiết mới có thể đi qua bộ khuếch đại. Một ứng cử viên sáng giá cho bài toán này đó chính là bộ lọc sóng âm bề mặt (hay Surface Acoustic Wave - SAW), linh kiện có khả năng chọn lọc chính xác những tín hiệu chất lượng, đồng thời loại bỏ những tiếng ồn điện từ tại môi trường xung quanh.

Cơ chế chuyển đổi điện-cơ của bộ lọc SAW

Về nguyên lý hoạt động, bộ lọc SAW chuyển đổi tín hiệu điện thành sóng cơ học di chuyển trên bề mặt của một vật liệu tinh thể áp điện. Đây cũng được xem như ưu điểm cốt lõi và khác biệt lớn nhất của bộ lọc SAW. Điều này là do bộ lọc SAW tận dụng bước sóng của sóng âm nhỏ hơn rất nhiều so với sóng điện từ ở cùng một tần số thay vì sử dụng các cuộn cảm và tụ điện cồng kềnh – yếu tố dễ gây ra hiện tượng nhiễu chéo. Chính nguyên lý hoạt động này đã giúp bộ lọc SAW sở hữu độ dốc cực kỳ cao trong khi kích thước của chúng lại vô cùng nhỏ. Không chỉ vậy, bộ lọc SAW còn có thể cắt bỏ các tín hiệu nhiễu ở tần số 1.6 GHz và các dải lân cận với nó, điều này xảy ra với tần số chính xác một cách kinh ngạc. Trong khi đó, các kỹ thuật lọc tích hợp thông thường trên chip sẽ không bao giờ đạt được các hiệu suất và hệ số Q-factor như vậy.

Hiện tượng bão hòa tín hiệu tác động đến máy thu GNSS

Hiện nay, bộ lọc SAW được trang bị khả năng ngăn chặn hiện tượng bão hòa thông qua bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA), từ đó khiến bộ lọc SAW trở thành linh kiện không thể thiếu trong các thiết kế 1.6 GHz. Điều này xuất phát từ việc các tín hiệu vệ tinh khi chạm tới mặt đất thường có cường độ yếu hơn rất nhiều so với sóng điện thoại thông thường, thường ở khoảng -130 dBm đến -160 dBm. Chính vì vậy, để ngăn chặn vấn đề các tín hiệu nhiễu sẽ làm tràn ngập bộ thu, hay hiện tượng méo dạng và mất hoàn toàn khả năng giải mã dữ liệu thì các đơn vị cần tích hợp bộ lọc SAW để loại bỏ các tín hiệu mạnh từ các trạm viễn thông gần đó trước khi chúng đi vào LNA. Sở dĩ bộ lọc SAW có thể thu được những tín hiệu vệ tinh có cường độ rất nhỏ giữa môi trường ngập tràn sự pha trộn của nhiều tín hiệu nhiễu khác là do chúng có độ suy hao thấp trong dải thông và độ suy giảm cực cao ngoài dải.

Độ ổn định nhiệt nhằm tăng độ tin cậy của GNSS

Thông thường, sự ổn định cao về thời gian và pha của tín hiệu là các yếu tố quan trọng đối với việc định vị vệ tinh. Tuy nhiên, các thiết bị điện tử thường phải hoạt động trong điều kiện nhiệt độ dao động mạnh, một số ví dụ có thể kể đến như nhiệt độ giảm sâu trong máy bay hay nắng nóng gay gắt trong bảng điều khiển ô tô. Chính từ những yêu cầu khắt khe này, vật liệu áp dụng trong các bộ lọc SAW hiện đại thường được thiết kế để có hệ số nhiệt độ ở mức rất thấp. Điều này không chỉ đảm bảo về mặt an toàn hoạt động mà còn đảm bảo tần số của bộ lọc sẽ không bị trôi khi nhiệt độ thay đổi, từ đó giữ cho cửa sổ thu tín hiệu 1.6 GHz sẽ luôn nằm trong đúng vị trí. Theo một cách dễ hiểu, độ chính xác về vị trí có thể bị sai lệch tới hàng chục mét hoặc sẽ mất hoàn toàn tín hiệu định vị nếu tâm tần số bị lệch tới vài MHz.

Vai trò của GNSS trong các ứng dụng tự hành và lĩnh vực quốc phòng

Bên cạnh các ứng dụng thông thường, độ tin cậy của GNSS được xem là yếu tố vô cùng quan trọng trong các ứng dụng đòi hỏi độ an toàn cao như xe tự lái hoặc máy bay không người lái. Điều này là do các tác vụ như định vị động học thời gian đòi hỏi dữ liệu pha sóng mang cực kỳ ổn định khi hoạt động tại băng tần 1.6 GHz. Các tín hiệu nhiễu đa đường và tín hiệu nhiễu từ các linh kiện điện tử nội bộ như vi xử lý hay bộ chuyển đổi nguồn switching sẽ được loại bỏ nhờ bộ lọc SAW. Chính vì vậy, các nhà vận hành thường đề xuất nên thiết lập bộ lọc SAW để làm sạch tín hiệu ngay từ đầu vào anten, từ đó giúp giảm hiệu các sai số khi đo đọc, đồng thời đảm bảo hệ thống tự hành có thể xác định được vị trí của mình với độ chính xác cao đến từng centimet, ngay cả khi chúng phải hoạt động trong môi trường nhiều sóng vô tuyến phức tạp.

Xu hướng phát triển trong kích thước siêu nhỏ

Dù có kích thước rất nhỏ, chỉ khoảng 1.1x0.9 mm, nhưng bộ lọc SAW lại mang trong mình trọng trách vô cùng quan trọng để bảo vệ toàn bộ hệ thống định vị. Điều này được xem là yếu tố tiên quyết đối với các thiết bị được phát triển theo kích thước ngày càng nhỏ. Đây cũng chính là lý do khiến bộ lọc SAW vẫn đang thống trị toàn bộ thị trường GNSS 1.6 GHz trong suốt nhiều năm qua. Khi chúng chỉ cần tích hợp duy nhất một bộ lọc có hiệu suất cao mà không cần thêm các linh kiện hỗ trợ cồng kềnh khác, từ đó cho phép các kỹ sư tối ưu hóa thiết kế anten mà không phải suy nghĩ về việc đánh đổi giữa kích thước và chất lượng tín hiệu.