CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG (01/04/1956-01/04/2010) ỨNG DỤNG THUẬT TỐN MUSIC (MULTIPLE SIGNALS CLASSIFICATION) TRONG HỆ THỐNG VƠ TUYẾN TÌM PHƯƠNG SỬ DỤNG ANTEN MẠNG USING MUSIC (MULTIPLE SIGNALS CLASSIFICATION) ALGORITHM FOR RADIO DIRECTION FINDING WITH ANTENNA ARRAY TS TRẦN XUÂN VIỆT Khoa Điện - Điện tử tàu biển, Trường ĐHHH Tóm tắt Vơ tuyến tìm phương có vai trị quan trọng hệ thống viễn thơng lĩnh vực kiểm soát tần số Các phương pháp tìm phương kinh điển có nhiều ứng dụng quan trọng, tính đơn giản thuật tốn xác định phương hướng ưu độ nhạy độ xác Cịn hệ thống vơ tuyến tìm phương giải pháp mạnh ứng dụng thuật toán MUSIC với anten mạng công nghệ Smart antennas công nghệ Direction finding ngày bộc lộ nhiều ưu điểm sử dụng thuật toán mạnh Abstract Radio direction finding (DF) is growing in importance of communication systems and radio monitoring The benefits of classical DF methods are: High sensitivity, simple and inexpensive realization In addition, MUSIC (multiple signals classification) algorithm is a high-resolution with using antenna array for modern direction finding with many advantages in Smart antennas and Direction finding techniques Giới thiệu Ngày hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu phát triển ứng dụng rộng rãi, hệ thống GPS Mỹ, GLONASS Nga, hay Hệ thống GALILEO nước Châu Âu phát triển, mục đích ứng dụng vơ tuyến tìm phương để định vị dẫn đường trở nên tầm quan trọng Tuy nhiên nhu cầu định vị nguồn phát sóng ngày tăng lớn với tính di động thiết bị thơng tin : lĩnh vực kiểm sốt tần số (tìm kiếm nguồn gây nhiễu, định vị nguồn phát xạ trái phép ), lĩnh vực an ninh (đấu tranh chống tội phạm), lĩnh vực tình báo qn (dị tìm hoạt động đối phương, thu thập thông tin chiến trường ), lĩnh vực thông tin đại (phương thức đa truy nhập phân chia theo khơng gian u cầu có thơng tin hướng sóng tới ), lĩnh vực nghiên cứu khác (khoa học vũ trụ, khoa học trái đất ) Nhiệm vụ hệ thống tìm phương xác định phương nguồn phát xạ cách đo đạc tính tốn tham số trường điện từ Thơng thường góc phương vị (azimuth) thơng số xác định phương sóng tới, giá trị góc ngẩng (elevation) quan tâm nguồn phát xạ không gian đa chiều trường hợp đặc biệt hệ thống tìm phương sóng ngắn Có hai ngun lý tìm phương [4]: ngun lý tìm phương theo đặc tính phân cực ngun lý tìm phương theo đặc tính pha Ngun lý tìm phương theo đặc tính phân cực thực dipol anten vòng Các hệ thống tìm phương anten vịng quay kinh điển xếp vào loại (quay anten vòng tới thu tín hiệu cực tiểu, xác định hướng sóng tới vng góc với mặt anten vịng) Ngày hệ thống tìm phương theo đặc tính phân cực cịn áp dụng trường hợp khơng gian lắp đặt anten nhỏ hẹp, phương tiện giao thơng hay tàu thuyền việc tìm phương băng HF Phương pháp tính tốn, đánh giá thường áp dụng nguyên lý Watson-Watt Nguyên lý tìm phương theo đặc tính pha cho thơng tin hướng sóng tới từ vị trí khơng gian đường mặt đồng pha Có hai loại bản: - Ngun lý tìm phương theo đặc tính phương hướng: phương pháp mặt sóng tác động tới điểm khác hệ thống anten kết hợp lại điểm thành tín hiệu tổng Sự cực đại tín hiệu tổng xảy góc mà lệch pha mặt sóng nhỏ Tín hiệu tổng ln trực giao với mặt pha sóng tác động (ngun lý tìm phương theo cực Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 22 – 04/2010 37 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG (01/04/1956-01/04/2010) đại tín hiệu) Đối với tìm phương theo ngun lý cực tiểu tín hiệu, mặt sóng kết hợp cho khác pha lớn thu tín hiệu cực tiểu rõ rệt - Nguyên lý tìm phương cách lấy mẫu không gian (aperture sampling): với phương pháp này, mẫu lấy vị trí khác áp dụng thuật tốn để tính tốn trình tự song song , xác định góc phương vị Các hệ thống tìm phương loại hệ thống tìm phương theo nguyên lý giao thoa, hệ thống tìm phương trường quay hệ thống tìm phương nguyên lý Doppler… Các phương pháp tìm phương đề cập giới hạn xử lý tín hiệu miền tần số Với kỹ thuật xử lý tín hiệu số phương pháp biết đến từ lý thuyết xác định phổ phát triển Khái niệm “sensor array processing” dùng để kỹ thuật xử lý thông tin tham số mặt sóng tới từ tín hiệu thành phần mạng chấn tử (nguyên lý tìm phương mạng anten) Thuật toán MUSIC Thuật toán MUSIC (MUtiple SIgnal Classification) Schmidt [2] đề xuất giải pháp mạnh (high-resolution) cho phương pháp phân loại đa tín hiệu, sở khai thác cấu trúc riêng ma trận hiệp phương sai đầu vào MUSIC thuật tốn xác định tham số tín hiệu, cung cấp thơng tin số lượng sóng tới, hướng sóng tới tín hiệu, cường độ tương quan chéo chúng, công suất tạp âm… Trong yêu cầu lấy chuẩn mạng anten chi tiết xác Thuật tốn MUSIC áp dụng hiệu thực tế chứng minh Giả sử có D tín hiệu tới mạng anten, vecto liệu đầu vào máy thu M chấn tử mạng anten biểu diễn tổ hợp tuyến tính D mặt sóng tới tạp âm, cụ thể là: D 1 u (t ) a( j ) s j (t ) n(t ) (1) j 0 s0 (t ) u (t ) a(0 ) a(1 ) a (D 1 ) n(t ) As(t ) n(t ) sD 1 (t ) (2) sT (t ) s0 (t ) s1 (t ) sD 1 (t ) vecto tín hiệu sóng tới, n (t ) n0 (t ) n1 (t ) nD 1 (t ) vecto tạp âm, a( j ) vecto lái mạng anten tương ứng với hướng sóng tới tín hiệu thứ j Trong điều kiện có tác động tạp âm trắng cộng Gaussian (AWGN), ma trận hiệp phương sai số liệu vào biểu diễn sau: R uu E uu H AE ss H A H E nn H (3) R uu AR ss A H n2 I (4) Rss ma trận hiệp phương sai tín hiệu E ss H Khi phân hoạch không gian ma trận hiệp phương sai số liệu vào, vecto riêng tín hiệu tạp âm tạo nên không gian trực giao Các vecto lái tương ứng với hướng sóng tới căng khơng gian tín hiệu trực giao với khơng gian tạp âm Bằng cách tìm tất vecto lái trực giao với vecto riêng tương ứng với giá trị riêng R uu có giá trị xấp xỉ n2 ta ấn định hướng sóng tới cần tìm Thuật tốn MUSIC tóm tắt sau: Tập hợp mẫu liệu đầu vào uk , k 0, , K , tính ma trận hiệp phương sai đầu vào theo công thức: Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 22 – 04/2010 38 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG (01/04/1956-01/04/2010) R uu K (5) K 1 u u k H k k 0 Phân tích riêng ma trận R uu : (6) R uu V VΛ đây: Λ diag 0 , 1 , , M 1 , 0 1 M 1 giá trị riêng V q D q D 1 qM 1 vecto riêng tương ứng ma trận R uu Xác định số tín hiệu D từ số bội K giá trị riêng nhỏ min , theo cơng thức: (7) D M K Tính phổ MUSIC theo công thức : ) P MUSIC ( ) : Vn q D a H a( ) a H ( )Vn VnH a( ) (8) q D 1 q M 1 ) Tìm D đỉnh cao phổ P MUSIC ( ) để xác định hướng sóng tới Hệ thống vơ tuyến tìm phương sử dụng anten mạng Sự phát triển hệ thống tìm phương kinh điển với mục đích thiết kế cấu hình anten mạch sử lý để xác định phương vị ngày đơn giản Cần lưu ý việc phát huy mối liên hệ tốn học đơn giản tín hiệu thu với hướng sóng tới độc lập với tham số tần số, phân cực môi trường truyền sóng Với phát triển sử lý tín hiệu số, phương pháp có khả năng: - Với chip sử lý tín hiệu số tốc độ cao, nhu cầu hệ thống đơn giản sử lý độc lập với tần số không cịn ứng dụng nhiều Các hệ thống có mối liên hệ tốn học phức tạp sử dụng để có đáp ứng thời gian ngắn, phương pháp tính nhanh hiệu nghiên cứu ứng dụng - Phương pháp số cho phép phân tách số sóng tới từ hướng khác độ anten hạn chế (high-resolution, super-resolution, multi-wave resolution) Một cấu hình phần cứng điển hình hệ thống tìm phương sử lý tín hiệu số giới thiệu hình Các đầu anten thường đưa tới mạng để: - kiểm tra tín hiệu - trộn tín hiệu N - số đầu anten lớn H - số máy thu sử dụng Tín hiệu sau đổi thành trung tần IF số hóa qua biến đổi A/D Để giảm khối lượng, liệu số chuyển đổi xuống băng tần gốc Các mẫu tín hiệu băng tần gốc xi (t ) (i 1, 2, , N ) sử lý lọc để phù hợp với độ rộng băng áp dụng thuật toán sử lý tín hiệu số Phương pháp Beamforming Tương tự mạng anten thơng thường, tín hiệu đầu xi nhân với trọng số phức wi lấy tổng, tín hiệu thu thích ứng với đặc tính hướng phụ thuộc vào hướng sóng tới Sự đáp ứng tín hiệu y theo thay đổi trọng số w i sử dụng để tìm phương hệ thống tìm phương kinh điển Cái khác chỗ với kỹ thuật numeric beamforming tốc độ tìm phương bị giới hạn tốc độ tính tốn Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 22 – 04/2010 39 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG (01/04/1956-01/04/2010) Hình Cấu hình phần cứng điển hình hệ thống DF sử lý tín hiệu số Hình Kết tìm phương theo thuật tốn beamforming Các phương pháp tìm phương giải pháp mạnh Nếu kênh tần số có tín hiệu nhiễu tác động với tín hiệu quan tâm phương pháp beamforming thơng thường đưa đến sai số Có hai phương pháp giải quyết: - Nếu công suất thành phần nhiễu nhỏ so với tín hiệu quan tâm làm cực tiểu phương gây sai số cách chọn độ anten thích hợp - Nếu thành phần nhiễu lớn tín hiệu quan tâm phải xác định nguồn nhiễu để loại trừ Khi sử dụng thuật tốn beamforming thơng thường phải sử dụng tính toán cực đại thứ hai Các hạn chế dẫn tới là: tỷ số cực đại chủ yếu cực đại thứ yếu đặc tính hướng nhỏ, sai khác góc tín hiệu quan tâm nhiễu nhỏ độ mở búp sóng a b Hình Phổ khơng gian Capon beamforming Phương pháp Capon beamforming Bằng cách tối ưu trọng số, mức cực đại thứ yếu bị suy giảm đồng thời cực đại lại gia tăng Đó mục tiêu giải pháp mạnh Các hệ thống tìm phương tín hiệu cực tiểu tiền thân giải pháp mạnh Adaptive antennas mạng anten có khả làm suy giảm khơng gian nguồn nhiễu Trong hệ thống thông tin, tối ưu hố tỷ số tín hiệu tạp âm mục tiêu hàng đầu, hệ thống tìm phương trọng số xác định để nén tín hiệu nhằm tìm phương sóng tới Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 22 – 04/2010 40 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG (01/04/1956-01/04/2010) Hình Phổ khơng gian MUSIC với S/N = 10 Trọng số hệ thống beamforming chọn cho điều kiện phụ định cơng suất tín hiệu cực tiểu Trong hệ thống Capon beamforming điều kiện phụ để đặt trọng số xác định để trì độ tăng ích anten số hướng cho r Nếu sóng tới khơng tương quan, hệ thống beamforming điều chỉnh suy giảm không tất hướng r Hình 3a ví dụ phổ khơng gian hệ thống Capon beamforming với mạng anten vòng (D/ = 1,4) với sóng tới (S/N=100) góc 5, 15, 40, 60 220 độ, so trừ hướng sánh với hệ thống beamforming thông thường Giải pháp phụ thuộc lớn vào tỷ số tín hiệu tạp âm, hình 3b phổ khơng gian hệ thống Capon beamforming, với điều kiện tương tự, có S/N=10 Phương pháp MUSIC: phương pháp không gian (subspace methods) có mục đích loại trừ tác động tạp âm Điều thực việc tách khơng gian tín hiệu N chiều thành khơng gian Thuật toán MUSIC ứng dụng thực tế khơng gian tín hiệu trực giao với khơng gian tạp âm Nếu chiếu vectơ phương lên không gian tạp âm nhận giá trị khơng, mà không phụ thuộc vào mức tạp âm Giá trị nghịch đảo thường sử dụng hàm xác định phương hướng với đỉnh tách biệt biểu thị hướng sóng tới (hình 4) Kết luận Vơ tuyến tìm phương khơng cịn có tầm quan trọng kỹ thuật định vị đạo hàng, song có vai trị quan trọng hệ thống viễn thơng lĩnh vực kiểm soát tần số Trong phát triển vơ tuyến tìm phương, phương pháp kinh điển có nhiều ứng dụng quan trọng, tính đơn giản thuật toán xác định phương hướng lợi độ nhạy độ xác Thuật toán MUSIC phương pháp đại xác định hướng sóng tới (DOA- direction of arrival), thuật ngữ tương tự vơ tuyến tìm phương (DF- direction finding), hiểu kỹ thuật tìm phương giải pháp cao với ứng dụng anten mạng (array antennas) Ứng dụng cơng nghệ Smart antennas cơng nghệ Direction finding có nhiều ưu sử dụng thuật toán mạnh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Anh, “Trường điện từ & truyền sóng”, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà nội, 2000 [2] Liberti & Rapport, “Smart antennas for wireless communications: IS95 and third generation CDMA applications”, Pretice Hall PTR - 1999 [3] ITU publication, “Spectrum monitoring handbook”, edition 2002 [4] Rohde & Schwarz , “Introduction into Theory of Direction Finding”, 2000 Người phản biện: TS Lê Quốc Vượng Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 22 – 04/2010 41