Nâng cao chất lượng xác định hướng sóng tới cho hệ thống vô tuyến tìm phương sử dụng dàn ăng ten

BỘGIÁODỤCVÀĐÀOTẠO TRƯỜNGĐẠI HỌCBÁCHKHOAHÀNỘI HÁNTRỌNGTHANH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG XÁC ĐỊNH HƯỚNG SĨNG TỚI CHO HỆTHỐNGVƠTUYẾNTÌM PHƯƠNG SỬ DỤNGDÀN ĂNG TEN LUẬNÁNTIẾNSĨKỸTHUẬTVIỄNTHÔNG HàNội–2015 HÁNTRỌNGTHANH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG XÁC ĐỊNH HƯỚNG SĨNG TỚI CHO HỆTHỐNGVƠTUYẾNTÌM PHƯƠNG SỬ DỤNGDÀN ĂNG TEN Chun ngành: Kỹ thuật Viễn thơngMãsố:62520208 LUẬNÁN TIẾNSĨKỸTHUẬTVIỄNTHƠNG NGƯỜIHƯỚNGDẪNKHOAHỌC: PGS.TS.VŨVĂNM HàNội–2015 LỜICAMĐOAN Tơixincamđoan rằngcáckếtquả khoahọcđượctrình bàytrongluậnánnàylàthànhq uảnghiêncứucủabảnthântơitrongsuốtthờigianlàmnghiêncứusinhvàchưatừngxuấthiệntrongcơngbố củacáctácgiảkhác Các kết quảđạt làchính xácvà trungthực Tácgiảluậnán Hán TrọngThanh Giáoviênhướngdẫnkhoahọc PGS.TS Vũ Văn Yêm LỜICẢMƠN Đầu tiên, xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến PGS TS Vũ Văn Yêm đãtrực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trình nghiên cứu sinh Thầy dànhnhiềuthời gian vàtâmhuyết, hỗ trợ vềmọimặt đểtácgiảhoànthành luận án Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đàotạo Sau Đại học, Viện Điện tử viễn thông, Bộ môn Hệ thống Viễn thông Bộ môn Điện tửHàng không Vũ trụ tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh suốt quátrình học tập nghiên cứu Chân thành cảm ơn cán bộ, giảng viên anh chịNCS Viện Điện tử Viễn thông động viên, hỗ trợ tận tình giúp đỡ tác giả quátrìnhthực luận án Cuốic ù n g , t ô i x i n b y tỏ l ò n g b i ế t n đ ế n b ố m ẹ , v ợ v c c c o n đ ã l u ô n đ ộ n g v i ê n , khíchlệvàhysinhrấtnhiềutrongthờigianvừaqua.Đâychínhlàđộnglựctolớnđểtácgiảvượtqua khó khăn hồn thành luận án Tácgiảluậnán HÁNTRỌNGTHANH MỤCLỤC Trang LỜIICAMĐOAN i LỜIICẢMMƠNN ii MỤCCLỤCC iii DANHMỤCCCÁCTỪVIẾTTẮTTTẮTT vii DANHMỤCCCÁCHÌNH,ĐỒTHỊ ix DANHMỤCCCÁCBẢMNGBIỂUU xii MỞĐẦUU 1 Vaitrịhệthốngthốngngvơtuyếntìmntìmphươngngtronglĩnhvựcđiệntửcđiệthốngntửviễnn thơng Nhữngngvấnnđềcòntồntạintạii Mụcctiêu,đốngitượng,phươngng,phươngngphápvàphạimvinghiêncứuu Cấnutrúcnộidungidungcủaluậnaluậnnán Cácđónggópkhoahọcccủaluậnaluậnnán CHƯƠNNG1 TỔNGNGQUANHỆTHỐNGNGVƠTUYẾTTẮTNTÌMPHƯƠNNG 1.1 Giớithiệuchungvềithiệthốnguchungvềhệthốngthốngngvơtuyếntìmntìmphươngng 1.2 Tổngngquancáckỹthuậntxácđịnhnhhướithiệuchungvềngsóngtớithiệuchungvềi 1.3 Mơhìnhtínhiệthốngutrongxácđịnhnhhướithiệuchungvềngsóngtớithiệuchungvềi 11 1.3.1 Kháiqtvềtín hiệthốngubănghẹpp 12 1.3.2 Kháiquátvềtínhiệthốngubăngrộidungng 13 1.4 Tổngng quan mộidungt sống dàn ăng ten nhiều phần tử sử dụng xác n tử sử dụcng xác địnhnhhướithiệuchungvềngsóngtớithiệuchungvềi 14 1.4.1 1.4.2 Cácđặcctrưngcơngbảnncủaluậnadànăngten 14 1.4.1.1 Đặcctrưngbiênđộidungcủaluậna dànăngten 14 1.4.1.2 Đặcctrưngphacủaluậnadàn ăngten .15 1.4.1.3 Đặcctrưngphâncựcđiệntửccủaluậna dànăngten .16 Mơhìnhtínhiệthốnguthuc ủaluận a m ộidung t s ống d n ă n g t e n h a y s d ục n g t r o n g k ỹ thuậntxácđịnhnhhướithiệuchungvềngsóngtớithiệuchungvềi 16 1.4.2.1 Môh ì n h t í n h i ệthống u t h u v ớithiệuchungvề i d n ă n g t e n đ ồntại n g n h ấn t t u y ếntìm n t í n h ULA 17 1.4.2.2 1.5 Mơhìnhtínhiệthốnguthuvớithiệuchungvềidànăngtenđồntạingdạing trịnđềuUCA .20 Các thông sống ảnnh hưởng điều kiện đặt toán xác ng điều kiệthốngn đặct tốn xác địnhnhhướithiệuchungvềngsóngtớithiệuchungvềi 21 1.5.1 Cácyếntìmutốngảnnhhưởng điều kiện đặt tốn xác ng tớithiệuchungvềiđộidungchínhxác trongviệthốngcxácđịnhnhhướithiệuchungvềngsóng tớithiệuchungvềi 21 1.5.2 Điềuki ệthống n ràngbu ộidung cban đ ần tử sử dụng xác u trongbàitoánxác đ ịnh nh h ướithiệuchungvề ngsóngt ớithiệuchungvề i củaluậnaluậnnán 22 1.5.3 1.6 Phươngngphápđánhgiákếntìmtquảncácnộidungidungđềxuấnt 23 Kếntìmtluậnnchươngng 23 CHƯƠNNG2 XÁCĐỊNHHƯỚNGSĨNGTỚICỦACÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP NGSĨNGTỚNGSĨNGTỚICỦACÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP ICỦACÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP ACÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP P SỬDỤNGDỤCNGHỆTHỐNGNGVƠTUYẾTTẮTNTÌMPHƯƠNNGĐƠNNKÊNH .24 2.1 Giớithiệuchungvềithiệthốnguchungvềhệthốngthốngngvơtuyếntìmntìmphươngngđơngnkênh 24 2.2 Mộidungtsốngthu ậnt tốnđi ển n hìnhápd ụcng chohệthốngthốngngvơtuy ếntìm ntìm phươngngđơngnkênh 25 2.2.1 2.2.2 2.3 KỹthuậntWattson–Watt .25 2.2.1.1 Nguyênlýhoạitđộidungng 25 2.2.1.2 ƯuđiểnmcủaluậnathuậnttoánWatson-Watt 27 2.2.1.3 Nhượng,phươngcđiểnmcủaluậnathuậnttoánWatson-Watt 27 KỹthuậntDopplervàgiảnDoppler 28 2.2.2.1 ƯuđiểnmcủaluậnakỹthuậntDopplervàgiảnDoppler 30 2.2.2.2 Nhượng,phươngcđiểnmcủaluậnakỹthuậntDopplervàgiảnDoppler 30 Kỹthuậntxácđịnhnhhướithiệuchungvềngsóngtớithiệuchungvềidựcđiệntửatrênvịngkhóapha 30 2.3.1 Kiếntìmntrúchệthốngthốngng .31 2.3.2 Môtảnphươngngpháp PLL–DOAtruyềnthốngng .32 2.3.3 Mơtảnphươngngpháp PLL–DOAcảnitiếntìmn .37 2.3.4 2.4 2.3.3.1 ĐánhgiáhiệthốngunăngphươngngphápPLL–DOAtruyềnthốngng 37 2.3.3.2 PhươngngphápPLL –DOAcảnitiếntìmn 37 Kếntìmtquảnmơphỏngngđánhgiáhiệthốngunăngphươngngpháp PLL–DOAcảnitiếntìmn .43 Kếntìmtluậnnchươngng 46 CHƯƠNNG3 XÁCĐỊNHHƯỚNGSÓNGTỚICỦACÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP NGSĨNGTỚNGSĨNGTỚICỦACÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP ICỦACÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP ACÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP P SỬDỤNGDỤCNGHỆTHỐNGNGVƠTUYẾTTẮTNTÌMPHƯƠNNGĐAKÊNH 48 3.1 Giớithiệuchungvềithiệthốnguchungvềhệthốngthốngngvơtuyếntìmntìmphươngngđakênh 48 3.2 Mộidungtsốngthu ậnt toánđi ển n hìnhápd ụcng chohệthốngthốngngvơtuy ếntìm ntìm phươngngđakênh .48 3.2.1 ThuậnttoánVéctơngtươngngquan 48 3.2.2 ThuậnttoánMUSIC 50 3.2.3 Mộidungtsốngthuậnttoánkhác .52 3.3 3.3.2 3.2.3.2 Thuậnttoán ướithiệuchungvềclượng,phươngngphổngCAPON 53 3.2.3.3 Thuậnttốnướithiệuchungvềclượng,phươngngdựcđiệntửđốntuyếntìmntính 53 3.2.3.4 ThuậnttốnEntropycựcđiệntửcđạii 53 ThuậnttoánMatrixPencil 53 3.3.1.1 Ápdụcngthuậnttốntrongmơitrườngkhơngngkhơngcónhiễnu 54 3.3.1.2 Ápdụcngthuậnttốntrongmơitrườngkhơngngcónhiễnu .56 ThuậnttoánTotalForwardBackwardMatrixPencil 57 KỹthuậntxácđịnhnhhướithiệuchungvềngsóngtớithiệuchungvềisửdụcngthuậnttốnTFBMP 60 3.4.1 3.4.2 3.5 ThuậnttốnBarlet 52 Sơnglượng,phươngcvềthuậnttoánMatrixPencil 53 3.3.1 3.4 3.2.3.1 Xácđịnhnhhướithiệuchungvềngsóngtớithiệuchungvềicủaluậnatínhiệthốnguthuđượng,phươngctừdàndànăngten ULA 61 3.4.1.1 Phântíchlýthuyếntìmt .61 3.4.1.2 Kếntìmtquảnmơphỏngngvàđánhgiá 62 Xácđịnhnhhướithiệuchungvềngsóngtớithiệuchungvềicủaluậnatínhiệthốnguthuđượng,phươngctừdàndànăngten UCA 69 3.4.2.1 Phântíchlýthuyếntìmt .69 3.4.2.2 Kếntìmtquảnmơphỏngngvàđánhgiá 72 Kếntìmtluậnnchươngng 80 CHƯƠNNG4 XÁCĐ Ị NH H ƯỚNGSĨNGTỚICỦACÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP NG SĨNGT ỚNGSĨNGTỚICỦACÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP I C ỦACÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP A CÁCTÍNHI Ệ U ĐAĐ ƯỜI NG VÀ TÍNHIỆUBĂNGRỘNGNG 81 4.1 Xácđịnhnhhướithiệuchungvềngsóngtớithiệuchungvềicủaluậnacáctínhiệthốnguđađườngkhơngng 81 4.1.1 Phântíchlýthuyếntìmt 81 4.1.2 Kếntìmtquảnmơphỏngngvàđánhgiá 85 4.2 Xácđịnhnhhướithiệuchungvềngsóngtớithiệuchungvềicủaluậnacáctínhiệthốngubăngrộidungng 88 4.2.1 Phântích lýthuyếntìmt .88 4.2.2 Kếntìmtquản mơphỏngngvàđánh giá 89 4.3 Kếntìmtluậnnchươngng 91 KẾTTẮTTLUẬNN 93 Đónggópkhoahọcccủaluậnaluậnnán 93 Hướithiệuchungvềngpháttriểnncủaluậnaluậnnán 93 DANHMỤCCCÁCCƠNGTRÌNHĐ Ã CƠNGBỐNGCỦACÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP ALUẬNNÁN 94 TÀILIỆUTHAMKHẢMO 95 DANHMỤCCÁCTỪVIẾTTẮT ADC AnalogtoDigitalConverter Bộchuyển đổi tươngtựsangsố BPF BandPassFilter Bộlọcthơngdải BPSK BinaryPhaseShiftKeying Điều chếkhóa phanhị phân CV CorrelativeVector Véctơ tươngquan DOA DirectionOfArrival Hướngsóngtới DSP DigitalSignalProcessing Xửlýsố tín hiệu DFT DiscretteFourierTransform BiểnđổiFourierrời rạc EVD EigenValueDecomposition Khaitriểncácgiátrịriêng E– W Easth– West ĐôngTây ESPRIT Estimation of Signal ParametersviaRotationInvarianceT echnique FastFourierTransform Ước lượng tham số tín hiệuthơngqua kỹthuật quaybất biến FFT BiểnđổiFouriernhanh I/Q In–Phase/Quarature ĐiềuchếI/Q GPS GlobalPositioningSystem Hệthốngđịnhvị vệtinhtoàncầu LPF LowPass Filter Bộlọc thôngthấp LNA LowNoiseAmplifier Bộkhuếchđại tạpâmthấp LS LeastSquare Bình phươngtối thiểu LOS LineOfSight Tầmnhìnthằng MUSIC MUltipleS i g n a l Classification Phânloạitínhiệu MEM Maximum EntropyMethod PhươngphápEntropycựcđại MVDR Minimum Variance DistortionlessResponse Đápứngcực tiểu không méo ML MaximumLikelihood Khảnănglớnnhất MP MatrixPencil Matrậnbútchì N– S North–South BắcNam PLL PhaseLockedLoop Vịngkhóa pha RADAR RMSE RF SDR SDMA RadioDetectionAndRanging RootMeanSquareError Radio Frequency SoftwareDefinedRadio SpaceDivisionMultipleAccess Địnhvị bằngsóngđiện từ Saisốcănqn phương Tầnsốvơtuyến Vơtuyếnđịnh nghĩabằngphầnmềm Đatruynhậpphân chia theokhơnggian SNR SignaltoNoiseRation Tỷsố tín hiệu tạpâm SVD SingularValueDecomposition Khaitriển cácgiá trịkỳdị SIR SignaltoInterferenceRatio Tỷsố tín hiệu nhiễu SONAR SoundNavigationandRanging Hệthốngđịnh vị bằngsóngâm TFBMP Total Forward Backward MatrixPencil Matrận bútchì thuậnngược TOA TimeOfArrival Thờigianđến UCA UniformCircularAntennaArray Dàn ăngtenđồngdạngtrịn ULA UniformLinearAntennaArray Dànăngten đồngdạngtuyến tính UHF UltraHighFrequency Tầnsốsiêucao VHF VeryHighFrequency Tầnsốrấtcao