Khóa luận một số thuật toán cho điều khiển búp sóng

MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CHƯƠNG CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐỊNH DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ 1.1 Giới thiệu định dạng điều khiển phương pháp số 1.2 Giới thiệu anten dãy 1.2.1 Các tham số anten dãy 1.2.2 Dãy tuyến tính 1.2.3 Dãy vòng tròn 10 1.2.4 Nhân đồ thị 12 1.2.5 Dãy phẳng .13 1.3 Định dạng điều khiển phương pháp tương tự 15 1.4 Mảng pha 18 1.5 Định dạng điều khiển phương pháp số 20 1.5.1 Định dạng điều khiển búp sóng theo khoảng phần tử .21 1.5.2 Định dạng điều khiển búp sóng theo khoảng cách búp 22 1.5.3 Định dạng điều khiển búp sóng hai chiều 22 1.6 Định nghĩa phân cực chéo 23 CHƯƠNG MỘT SỐ THUẬT TỐN CHO ĐIỀU KHIỂN BÚP SĨNG .25 2.1 Thuật toán Chebychev 25 2.1.1 Đồ thị Chebychev cho dãy phẳng 24 2.1.2 Phân bố dòng tối ưu 27 2.2.3 Phương pháp biến đổi xác định biên độ dòng .29 2.1.4 Độ rộng búp mảng phẳng Chebychev 31 2.1.5 Số phần tử nhỏ cho quét vùng rộng .33 2.2 Thuật toán SMI .35 2.3 Kết hợp thuật toán Chebychev thuật toán SMI 39 CHƯƠNG KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG VÀ MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .40 KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DBF Digital Beamforming DOA Direction Of Arrival IF Intermediate Frequence RF Radio Frequence SMI Sample Matrix Inversion SNR Signal Noise Ratio CHƯƠNG CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐỊNH DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ 1.1 Giới thiệu định dạng điều khiển búp sóng phương pháp số Những khái niệm ban đầu định dạng điều khiển búp sóng phương pháp số phát triển cho ứng dụng hệ thống đa định vị nước DBF biểu diễn bước lượng tử hiệu suất anten độ phức tạp anten DBF dựa khái niệm lý thuyết có trước, lý thuyết triển khai thực tế Ở mức độ rộng hơn, kết tiến quan gần giới công nghệ xử lý tín hiệu số cơng nghệ mạch tích hợp siêu cao tần đơn (MMIC) Công nghệ DBF đạt trình độ cao ứng dụng mạng truyền thông nhằm cải thiện hiệu suất hệ thống Ứng dụng DBF hệ thống truyền thông vô tuyến không dừng lại lý thuyết mà cịn triển khai nhanh chóng thực tế Ngoài ra, nhu cầu tăng dung lượng mục đích quan trọng cần hướng tới để kết hợp DBF vào hệ thống truyền thông vô tuyến tương lai [1] Hình 1.1: Hệ anten DBF tổng quát DBF kết hợp công nghệ anten công nghệ số Một hệ thống anten DBF tổng quát hình 1.1 bao gồm ba thành phần chính: + Anten dãy + Các máy thu phát số + Bộ xử lý tín hiệu số Trong hệ thống anten DBF, tín hiệu thu tách sóng số hóa mức phần tử Việc thu thông tin RF dạng luống số cho phép dụng thuật tốn kỹ thuật xử lý tín hiệu để tách thông tin từ liệu miền không gian Kỹ thuật DBF dựa việc thu tín hiệu RF phần tử anten biến đổi chúng thành hai luồng tín hiệu nhị phân băng sở ( kênh đồng pha I, kênh vuông pha Q) Tích hợp bên tín hiệu băng sở biên độ pha tín hiệu thu phần tử dãy Điều chỉnh búp sóng tạo việc tạo trọng số cho tín hiệu cách điều chỉnh biên độ pha tín hiệu thu búp sóng mong muốn Q trình thực xử lý tín hiệu số Đó chức trước thường thực việc sử dụng mạng điều khiển búp sóng tương tự thực việc dùng xử lý tín hiệu số Phương pháp gần bảo tồn tất thơng tin góc mở, khác biệt với định dạng điều khiển phương pháp tương tự Bởi phương pháp tạo búp sóng tương tự tạo tổng trọng số tín hiệu làm suy hao kích thước tín hiệu từ thành 1(hình 1.2) Điểm mấu chốt công nghệ việc biến đổi xác tín hiệu tương tự thành miền số Điều đạt việc sử dụng heterodyne, thu cần phải phù hợp chặt chẽ biên độ pha Sự phù hợp không cần phải thực việc điều chỉnh từ phần cứng Mà cần thực trình chuẩn để giá trị luồng liệu hiệu chỉnh trước tới điều khiển búp sóng Hình 1.2: Bộ điều khiển búp sóng tương tự Các thu thực chức sau: Chuyển đổi tần số xuống tần số thấp, lọc khuếch mức tín hiệu phù hợp với yêu cầu lối vào biến đổi ADC Lợi ích đạt từ việc định dạng điều khiển búp sóng phương pháp số xử lý mềm dẻo mà khơng có làm suy giảm tỷ số tín hiệu tạp âm(SNR) Trong số cách, xem anten tối ưu, theo tất thơng tin tới bề mặt anten thu lại dạng nhiều luồng số Tất thông tin có giá trị cho việc xử lý điều khiển búp sóng Có nhiều cấu hình thiết bị sử dụng để thực việc sử lý số Từ cấu trúc điều khiển búp sóng điều chỉnh thủ tục phần mềm, có dải rộng mềm dẻo nhiều loại búp tạo ra, bao gồm búp quét, đa búp, búp hướng xác định, búp hướng không Khi kết hợp phương pháp truy nhập xử lý số có mức thơng tín cao với tính lính hoạt nó, nhận thấy định dạng điều khiển búp sóng số cho số đặc trưng ngồi khả mảng pha thơng thường Một số lượng lớn búp sóng độc lập có độ định hướng cao thiết lập mà khơng làm suy giảm tỷ số tín hiệu tạp (SNR) Tất thông tin đến anten dãy sử dụng xử lý tín hiệu hiệu suất hệ thống tối ưu hóa Các búp sóng định cho người dùng, đảm bảo tất liên kết hoạt động với hệ số tăng ích lớn Định dạng điều khiển búp sóng thích nghi dễ dàng thực thi để cải tiến dung lượng hệ thống cách khử nhiễu đồng kênh Các thuật tốn mà biểu diễn dạng tốn học ứng dụng Hơn định dạng điều khiển búp sóng thích nghi sử dụng để hệ thống tăng cường khả chống lại nhiễu đa đường Các hệ thống DBF cho khả thực chuẩn máy thời gian thực cho hệ anten miền số Dó làm giảm nhẹ yêu cầu phối hợp chặt chẽ biên độ pha thu phát, thay đổi tham số chỉnh xác thời gian thực Định dạng điều khiển búp sóng phương pháp số có nhiều ưu điểm trội sử dụng trạm truyền thơng vệ tinh Nếu sau phóng vệ tinh, người ta phát cần phải nâng cấp định dạng điều khiển búp sóng phần mềm thích hợp cập nhật từ xa tới trạm vệ tinh Điều có nghĩa tuổi thọ trạm tăng lên bổ xung phận thời gian hoạt động dung lượng trạm nâng lên Ngoài cơng nghệ định dạng điều khiển búp sóng thích nghi nhắc đến công nghệ anten thông minh số tài liệu Việc dùng thuật ngữ “smart” phản ánh khả anten thích nghi với mơi trường, hoạt động Tên anten thơng minh anten thích nghi hốn đổi cho [1] 1.2 Giới thiệu anten dãy Trong nhiều ứng dụng anten, hệ thống truyền thông điểm – điểm ứng dụng Búp sóng anten có độ định hướng cao sử dụng để tận dụng ưu điểm Hướng búp sóng xác lập cách tạo dãy có nhiều phần tử xạ Khi độ hướng tính anten tăng lên, hệ số tăng ích tăng theo Ở phía điểm thu tăng hệ số hướng tính có nghĩa anten thu tạp nhiễu từ mơi trường tín hiệu Ngồi với mức tín hiệu anten thu, hệ số tăng ích hệ số dãy tăng lên mưới lần, với giảm cơng suất phát xuống mười lần Điều có ý nghĩa anten có hệ số khuếch đại cao đem lại lợi ích đáng kể mạng viễn thông điểm – điểm 1.2.1 Các tham số anten dãy Đồ thị xạ: Liên quan đến việc phân phối công suất phát xạ, hàm theo hướng không gian gọi hàm phát xạ anten Hệ số dãy: Hế số dãy biểu diễn đồ thị phát xạ trường khu xa mảng phần tử phát xạ vô hướng biểu diễn hàm Búp sóng chính: Búp sóng đồ thị phát xạ anten miền bao gồm theo hướng, mà theo hướng cơng suất phát xạ anten lớn Búp sóng phụ : Là miền cịn lại theo hướng khác búp sóng Cho dãy tuyến tính với phần tử giống nhau, búp phụ thứ (búp gần búp sóng ) đồ thị phát xạ 13 dB đỉnh búp sóng Độ rộng búp : độ rộng búp anten độ rộng góc búp sóng đồ thị phát xạ trường khu xa Nửa công suất độ rộng búp, dB độ rộng búp độ rộng góc đo điểm búp sóng chính, điểm có độ rộng búp 3dB với điểm lớn búp sóng Một anten dãy tuyến tính với phần tử giống có độ rộng búp 3dB xác định là: HPBW= (1.1) A chiều dài thu mảng Hiệu suất anten: hiệu suất anten định nghĩa tỷ số tổng công suất xạ tổng công suất lối vào anten kí hiệu Hệ số định hướng: Hệ số định hướng biểu thị lượng trường khu xa định nghĩa tỷ số mật độ phát xạ theo hướng góc đặc biệt không gian mật độ phát xạ theo hướng nguồn phát xạ vộ hướng, biểu thức là: (1.2) Trong đó: : Hệ số định hướng (dB), : Công suất xạ đơn vị góc theo hướng ( W/đơn vị góc), : Tổng công suất xạ anten (dB), Hệ số hướng tính: Hệ số hướng tính hệ số định hướng lớn anten, hệ số định hướng theo hướng mà theo hướng mật độ phát xạ lớn Hệ số khuếch đại anten: Hệ số khuếch đại anten định nghĩa tỷ số mật độ phát xạ theo hướng góc đặc biệt khơng gian tổng cơng suất lối vào anten; biểu thức là: (1.3) Trong đó: : Hệ số tăng ích anten (dBi), : Cơng suất xạ đơn vị góc theo hướng ( W/đơn vị góc), : Tổng cơng suất lối vào anten (dB) Hệ số tăng ích lớn , đơn giản hệ số tăng ích, kết tích số hệ số định hướng hiệu suất anten (1.4) Công suất xạ đẳng hướng tương đương: Công suất xạ đẳng hướng tương đương kết tích cơng suất lối vào anten với hệ số tăng ích anten Góc mở hiệu dụng: Góc mở hiệu dụng anten định nghĩa miền anten lý tưởng, miền thu cơng suất từ sóng phẳng tới Dưới kết hợp điều kiện phân cực, góc mở tương đương cho bởi: (1.5) Hiệu suất góc mở : Hiệu suất góc mở anten định nghĩa tỷ số góc mở hiệu dụng góc mở vật lý anten Búp xen kẽ cách đoạn: Trong anten dãy, khoảng cách phần tử lớn, thường lớn bước sóng Thì gây tượng vài búp sóng phụ có biên độ tiến sát mức búp sóng Các búp gọi búp xen kẽ cách đoạn Búp xen kẽ cách đoạn trường hợp đặc biệt búp phụ Các búp phụ xem xét tất búp nằm búp sóng búp xen kẽ thứ búp xen kẽ Đây khái niệm để phân biệt búp phụ búp xen kẽ, búp xen kẽ có biên độ lớn nhiều so với hầu hết biên độ búp phụ [2] 1.2.2 Dãy tuyến tính: Hình 1.3: Một dãy tuyến tính cách Trong hình 1.3 dãy tuyến tính cách mơ tả với K phần tử vô hướng giống Mỗi phần tử đánh trọng số với trọng số phức , khoảng cách phần tử biểu thị với Nếu sóng phẳng tách động lên phía mảng theo góc phương pháp tuyến mảng, hướng sóng đến phần tử thứ sớm pha phần tử thứ k, dẫn đến khoảng cách sai khác hai đường tia Bằng việc thiết lập pha tín hiệu gốc tọa độ tùy ý tới không, độ sớm pha tín hiệu phần tử thứ k có quan hệ đến pha phần tử dãy , với , bước sóng Tổng lối phần tử cho ta hệ số : (1.6) Ta biểu diễn dạng véc tơ: (1.7) Trong : véc tơ trọng số (1.8) v mảng véc tơ truyền âm, véc tơ bao gồm thơng tin góc đến tín hiệu Nếu trọng số phức là: (1.9) pha phần tử thứ trở thành: sớm pha pha phần tử thứ là, hệ số dãy (1.10) Nếu , đáp ứng lớn kết theo góc sóng anten lái theo hướng nguồn sóng Thí dụ hàm Khi búp cho mảng tuyến tính tám phần tử hình 1.4, lúc búp sóng anten lái theo hướng vng góc với mặt phẳng anten Hình 1.4: Đồ thị xạ dãy tuyến tính tám phần tử 1.2.3 Dãy vòng tròn Một mảng vòng gồm K phần tử xạ đẳng hướng giống xắp xếp cách vịng trịn có bán kính R hình 1.5 Mỗi phần tử đánh trọng số phức với Vì phần tử thứ K đặt cách xung quanh đường trịn bán kính R, góc phương vị phần tử thứ k xác định sóng phẳng tác động lên phía dãy theo hướng Nếu hệ tọa độ hình 2.3 Pha phần tử thứ k tâm dãy xách định bởi: (1.11) 10 ... muốn tạo đa búp sóng, búp cách góc hưu hạn Việc thiết kế mạng điều khiển đa búp phức tạp nhiều so với mạng điều khiển búp đơn búp Một mạng điều khiển đa búp hiểu ma trận điều khiển búp sóng Ví dụ... Nếu địi hỏi đa búp sóng điều khiển đa búp sóng sử dụng, phân bố lượng tín hiệu tới búp sóng tạo Tuy nhiên có số trở ngại điều khiển đa búp sóng Thứ khó để thiết lập điều khiển búp sóng( việc mở... DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ 1.1 Giới thiệu định dạng điều khiển búp sóng phương pháp số Những khái niệm ban đầu định dạng điều khiển búp sóng phương pháp số phát triển cho ứng