Nghiên cứu các tham số ảnh hưởng đến thuật toán music

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hoàng Văn Danh NGHIÊN CỨU CÁC THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THUẬT TOÁN MUSIC KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thơng HÀ NỘI - 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ Hồng Văn Danh NGHIÊN CỨU CÁC THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THUẬT TOÁN MUSIC KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông Cán hướng dẫn: TH.S Trần Thị Thúy Quỳnh HÀ NỘI - 2008 TÓM TẮT NỘI DUNG Luận văn nghiên cứu tới tham số ảnh hưởng đến thuật toán music, thuật tốn phổ biến dùng để xác định hướng sóng tới từ nguồn tín hiệu Các tham số nghiên cứu đặt bao gồm : tỉ số khoảng cách phần tử anten thu chia cho bước sóng sử dụng; mối tương quan số phần tử mảng số nguồn tín hiệu tối đa xác định hướng tới; độ phân giải hay độ chênh lệch góc nhỏ mà thuật tốn music phân biệt được; ảnh hưởng nguồn sóng đến góc 90 độ lân cận; ảnh hưởng nguồn tín hiệu tương quan với Việc nghiên cứu tiến hành cách xây dựng nên thuật toán music qua việc lập trình matlab thay đổi tham số quan sát thay đổi tương ứng kết từ tìm qui luật biến đổi kết thuật tốn thơng số biến đổi Luận văn đưa số giải pháp để thuật tốn music thực xác điều kiện áp dụng vào tình hình thực tế Cuối cùng, luận văn nêu số lĩnh vực có khả ứng dụng anten có sử dụng thuật toán music thực tế Việt Nam MỤC LỤC : MỞ ĐẦU CHƯƠNG I .8 KHÁI QUÁT VỀ ANTEN THÔNG MINH 1.1 Mở đầu : 1.2 Nguyên lý hoạt động : 1.3 Ứng dụng anten thông minh : .10 1.3.1 Anten thông minh mạng GSM : 11 1.3.3 Ứng dụng anten thơng minh việc xác định vị trí : 12 1.4.anten mảng thích nghi : 13 1.4.1 Định nghĩa anten mảng thích nghi : 13 1.4.2 Cấu trúc anten thích nghi : 14 CHƯƠNG II 17 MỘT SỐ THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG HƯỚNG SÓNG TỚI .17 2.1.Thuật toán ước lượng phổ: 17 2.2 Thuật toán khả lớn MLM (maximum likehood method): 18 2.3 Thuật toán MUSIC : .18 2.4 So sánh thuật toán : .18 2.5.Ứng dụng thuật toán MUSIC xác định DOA: 19 2.6 Bài toán mô : 25 CHƯƠNG III 28 KHẢO SÁT CÁC THƠNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THUẬT TỐN MUSIC 28 3.1 Xây dựng chương trình để giải thuật tốn MUSIC ngơn ngữ matlab: .28 3.1.1 Đặt giả thiết ban đầu số nguồn tín hiệu, số phần tử mảng số mẫu quan sát : 29 3.1.2 Đặt khoảng cách phần tử mảng góc ban đầu, xây dựng véctơ hướng .29 3.1.3 Xây dựng ma trận tín hiệu thu : 30 3.1.4 Xây dựng ma trận hiệp phương sai, giá trị riêng, véctơ riêng : 31 3.1.5 Xây dựng hàm độ lệch , xác định hướng sóng đến nhờ thuật tốn MUSIC : 32 3.1.6 Chương trình thu cuối : .32 3.2 Sự ảnh hưởng tham số đến kết thuật toán MUSIC : 34 3.2.1 Ảnh hưởng tham số dlamda ( d/  : khoảng cách phần tử anten bước sóng sử dụng ) : .34 3.2.2 Sự ảnh hưởng số phần tử anten số nguồn tín hiệu tới độ xác thuật toán MUSIC : 37 3.2.3 Độ phân giải thuật toán : .40 3.2.4 Trường hợp có nguồn nằm góc 90 độ : 41 3.2.4.1 Trường hợp nguồn nằm góc lân cận 90 độ : 42 3.2.4.2 Khi có nguồn nằm hướng 90 độ : 46 3.2.5 Khi nguồn tín hiệu tương quan với : 47 3.3 Kết luận : .51 CHƯƠNG IV 54 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA THUẬT TOÁN MUSIC Ở VIỆT NAM 54 4.1 Ứng dụng thông tin di động : .54 4.2 Ứng dụng việc xác định vị trí tàu thuyền : 56 4.3 Ứng dụng thơng tin vệ tinh Và truyền hình : .58 MỞ ĐẦU Ngày nay, lĩnh vực thông tin truyền thông ngày phát triển, loại anten có xử lý tín hiệu sử dụng ngày phổ biến đem lại ích lợi nhiều lĩnh vực ứng dụng thơng tin di động, truyền hình, thơng tin vệ tinh, xác định vị trí vật thể… Một hướng phát triển kĩ thuật xử lý tín hiệu anten xác định hướng sóng tới, xa từ hướng sóng tới xác định vị trí nguồn phát sóng từ có biện pháp xử lý tùy thuộc vào mục đích xác định điều chỉnh búp sóng anten, điều chỉnh vị trí anten… Có nhiều thuật tốn đề để xử lý phát sóng tới thuật toán ước lượng phổ, thuật toán khả lớn nhất, thuật tốn MUSIC… Trong thuật tốn dùng phổ biến thuật tốn MUSIC với ưu điểm vượt trội : Độ xác cao, phân giải nguồn tốt, áp dụng phù hợp nhiều hoàn cảnh Tuy nhiên,những điều kiện hoàn cảnh khác gây ảnh hưởng định đến kết thuật toán MUSIC Bài luận văn nghiên cứu ảnh hưởng thông số hay thay đổi thường gặp thực tế qua giúp cho việc thiết kế, xử lý hệ thống anten hiệu hơn, phù hợp cho việc áp dụng ứng dụng thực tế với điều kiện hồn cảnh biến đổi Các thơng số đưa nghiên cứu bao gồm : tương quan khoảng cách phần tử hệ anten tuyến tính với bước sóng sử dụng ; tương quan số phần tử mảng anten số nguồn cần xác định hướng sóng tới ; độ phân giải thuật tốn ; trường hợp có nguồn nằm góc 90 độ góc lân cận ; trường hợp nguồn cần xác định hướng sóng đến có tương quan với Phương pháp sử dụng luận văn lập trình matlab mơ hệ thống xử lý tìm hướng sóng đến MUSIC bao gồm giả lập nguồn sóng tới, sau thay đổi thông số cần nghiên cứu xem xét thay đổi tương ứng kết thuật toán để từ tìm qui luật biến đổi phụ thuộc kết thuật tốn thay đổi thơng số Việc cuối sau tìm qui luật biến đổi đề xuất biện pháp thiết kế, ý thuật tốn MUSIC ứng dụng phù hợp với điều kiện thực tế Trong phần luận văn nêu số lĩnh vực có tiềm to lớn việc ứng dụng anten thơng minh có sử dụng thuật tốn tìm hướng sóng đến MUSIC CHƯƠNG I KHÁI QUÁT VỀ ANTEN THƠNG MINH 1.1 Mở đầu : Sóng điện từ truyền khơng gian tới điểm thu, ngồi thơng tin biến đổi theo thời gian cịn mang thơng tin đặc tính khơng gian, ta coi dạng tín hiệu khơng gian – thời gian Khi sử dụng anten thu đơn giản, ví dụ phần tử đơn độc thân tín hiệu nhận đầu anten khơng phản ánh đặc tính khơng gian sóng tới Còn sử dụng hệ anten gồm nhiều phần tử xếp khơng gian việc xử lý tín hiệu nhận từ phần tử cho phép khai thác lượng tin tức mang đặc tính khơng gian sóng Hệ anten, có kết hợp sử dụng phương thức xử lý tín hiệu làm tăng khả hệ thống việc thu nhận thông tin, mức độ cao đáp ứng cách linh hoạt biến động xảy để trì mục tiêu đặt cho hệ thống Ta gọi hệ anten có xử lý tín hiệu, hay mức độ cao an ten thông minh Ngày nay, thuật ngữ anten thông minh sử dụng rộng rãi để hệ anten có xử lý tín hiệu phương thức thuật tốn xử lý tín hiệu đạt tới trình độ cao đạt hiệu rõ rệt Một anten thông minh (Smart Antennas) bao gồm nhiều phần tử anten Tín hiệu đến phần tử tính tốn xử lý giúp anten xác định hướng nguồn tín hiệu, tập trung xạ theo hướng mong muốn tự điều chỉnh theo thay đổi mơi trường tín hiệu Cơng việc tính tốn đòi hỏi thực theo thời gian thực, để Anten thơng minh bám theo nguồn tín hiệu chuyển động Vì vậy, Anten thơng minh cịn gọi tên khác “Anten thích nghi” (Adaptive Antennas).Với tính chất vậy, Anten thơng minh có khả giảm thiểu ảnh hưởng tượng đa đường can nhiễu Anten thông minh xu hướng quan tâm nhiều năm gần Với ứng dụng hệ thống thơng tin vơ tuyến, cải thiện chất lượng tín hiệu, tăng dung lượng, mở rộng phạm vi hoạt động hệ thống Với ứng dụng hệ thống rađa, định vị, anten thông minh cho phép nâng cao khả phát mục tiêu, nâng cao độ xác xác định tọa độ tạo thêm khả mà hệ thống bình thường khơng có 1.2 Ngun lý hoạt động : Cơng nghệ Anten thông minh giống việc định hướng âm người Con người có hai tai để nghe (thu tín hiệu), mồm để nói (phát tín hiệu) não để suy nghĩ - định hướng (xử lý, phân tích tín hiệu) Hãy tưởng tượng bạn đứng cánh đồng nhắm mắt lại Một người đằng xa nói với bạn Để nghe rõ người nói bạn phải quay phía người Bạn xác định vị trí người nói nhờ vào khác trễ âm mà hai tai bạn nghe thấy Bộ não phân tích khác cho bạn xác hướng nguồn âm phát Như bạn quay hướng để bạn người nói chuyện nghe rõ Lời nói bạn phát với hướng nguồn âm mà bạn nghe Một trường hợp khác, bạn đứng hội trường đơng người Phía bên hội trường có người bạn cố gắng nói chuyện với bạn cách gọi to tên bạn Bạn nghe người nói tiếng gọi đủ lớn để bạn nghe thấy điều quan trọng bạn nhận tên (đó mã số bạn) Não bạn giải mã thông tin từ mớ tạp âm ồn Bạn quay phía tiếng gọi nói to để trả lời Bằng cách này, bạn cộng thêm tiếng ồn vào âm hội trường làm cho hội thoại người khác khó nghe.Thật tốt cho tất người nói chuyện hội trường bạn nói chuyện với bạn mà khơng cần phải nói to Chỉ thực điều người bạn bạn trang bị thiết bị nghe với độ nhạy cao với micro định hướng Khi bạn cần thầm đủ cho bạn nghe thấy Một Anten thơng minh bao gồm nhiều Anten thành phần Cũng giống cách phân tích não khác âm thu hai tai, tín hiệu phát từ máy di động đến Anten thành phần phân tích giúp xác định hướng nguồn tín hiệu Trên thực tế Anten thành phần phân bố tĩnh Việc xác định hướng nguồn tín hiệu kết việc tính tốn tín hiệu nhận từ Anten thành phần, khơng có phần Anten phải quay đổi hướng Anten thơng minh sử dụng phép tính đơn giản, nhờ giúp giúp cho gói tin truyền đến nguồn tín hiệu búp sóng hẹp theo hướng từ nguồn tín hiệu phát đến nơi nhận, việc giúp cho lượng sóng truyền theo hướng tập trung, nhờ giảm thiểu lượng máy phát mà nơi thu nhận tín hiệu rõ ràng Sử dụng Anten thơng minh để phát tín hiệu giống việc chiếu đèn vào diễn viên sân khấu Nếu đèn chiếu rộng ánh sáng chiếu vào người diễn viên Bằng đèn chiếu tập trung, toàn ánh sáng chiếu phần cần thiết khu vực lại tối, tăng hiệu dụng cơng suất phát sáng Cơng việc tính tốn phức tạp địi hỏi thời gian đáp ứng nhanh dẫn đến việc phải gia tăng đáng kể cơng việc xử lý trạm phát sóng Lợi ích việc sử dụng Anten thơng minh : Anten thơng minh đóng góp hai lợi ích đường truyền vơ tuyến tối ưu hố cơng suất, giảm nhiễu đường truyền Bởi Anten thơng minh đặc biệt hiệu việc tăng cơng suất tín hiệu thu giảm công suất phát đến ngưỡng nhỏ Bên cạnh đó, sử dụng giúp tăng dung lượng đường truyền Việc giảm đáng kể công suất phát giảm can nhiễu vùng phủ sóng trạm phát (làm tăng mức tín hiệu tạp âm - SNIR) 1.3 Ứng dụng anten thông minh : 10