Tóm tắt luận án tiến sĩ nâng cao chất lượng xác định hướng sóng tới cho hệ thống vô tuyến tìm phương sử dụng dàn ăng ten

1 MỞ ĐẦU Vai trò hệ thống vô tuyến tìm phương lĩnh vực điện tử viễn thông Trong hệ thống thông tin viễn thông, việc ước lượng tham số tín hiệu thu miền thời gian, miền tần số miền không gian có vai trò quan trọng nhà khoa học nước đặc biệt quan tâm nghiên cứu Bên cạnh thông số tín hiệu tần số, biên độ, pha… tham số hướng sóng tới thời gian truyền sóng cần thiết phải xác định xác đặc biệt hệ thống viễn thông đa anten hệ thống thực chức đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA Thông tin hướng sóng tới giúp hệ thống viễn thông tăng khả khôi phục kênh truyền, phối hợp đồng bộ, bù lệch tần số hay tự động điều chỉnh đồ thị xạ theo hướng cần thiết để tăng chất lượng tín hiệu thu Chính lý trên, nhiệm vụ nghiên cứu phát triển hệ thống vô tuyến tìm phương tiên tiến cấp thiết Những vấn đề tồn Vấn đề nghiên cứu kỹ thuật xử lý tín hiệu, thuật toán với độ phân giải cao ước lượng xác hướng sóng tới áp dụng cho kiến trúc hệ thống vô tuyến tìm phương chủ đề nghiên cứu nhà khoa học nước Hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh với ưu điểm nhỏ gọn, giảm công suất tiêu thụ, thích hợp triển khai thiết bị di động thuật toán xử lý phức tạp, độ xác trung bình đặt yêu cầu phải giảm độ phức tạp từ tăng tốc độ hội tụ thuật toán nhằm triển khai cho ứng dụng thời gian thực Hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh có khả ước lượng hướng sóng tới với độ xác độ phân giải cao so với hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh thông thường có kiến trúc cồng kềnh, tiêu thụ lượng lớn không phù hợp việc triển khai thiết bị di động Chính vậy, việc nghiên cứu phương pháp nhằm tăng hiệu hoạt động, giảm nhỏ kích thước cho hệ thống đa kênh cấp thiết Ngoài ra, việc xác định hướng sóng tới môi trường đa đường tín hiệu tương quan tín hiệu băng rộng nhà khoa học nước quan tâm nghiên cứu nhiên kết chưa mong muốn Chính vậy, việc tiếp tục phát triển nghiên cứu kỹ thuật ước lượng hướng sóng tới cho trường hợp nêu cần thiết hệ thống vô tuyến tìm phương tiên tiến Mục tiêu, đối tượng, phương pháp phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu:  Nghiên cứu đề xuất phương pháp cải tiến nhằm làm giảm độ phức tạp tính toán ước lượng hướng sóng tới hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh sử dụng vòng khóa pha  Nghiên cứu phương pháp, thuật toán, kỹ thuật ước lượng hướng sóng tới với số lượng nhỏ số lượng mẫu tín hiệu áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh  Nghiên cứu kỹ thuật xử lý tín hiệu đa đường môi trường có tính tương quan tín hiệu băng thông rộng Đối tượng nghiên cứu:  Hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh đa kênh 2   Các mô hình anten mảng thường sử dụng hệ thống vô tuyến tìm phương Các kỹ thuật ước lượng hướng sóng tới tín hiệu không tương quan tương quan Phương pháp phạm vi nghiên cứu:  Phương pháp nghiên cứu luận án bao gồm việc nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình, đề xuất, cải tiến thuật toán kết hợp với mô máy tính Cấu trúc nội dung luận án Cấu trúc luận án gồm có 04 chương Chương giới thiệu sơ lược hệ thống vô tuyến tìm phương, phương pháp phân loại hệ thống kỹ thuật ước lượng hướng sóng tới Chương trình bày đề xuất kỹ thuật cải tiến nhằm làm giảm độ phức tạp tính toán cho phương pháp dựa vòng khóa pha nhằm xác định hướng sóng tới tín hiệu băng hẹp sử dụng hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh Chương tập trung phân tích đề xuất áp dụng thuật toán Total Forward Backward Matrix Pencil (TFBMP) ước lượng hướng sóng tới tín hiệu băng hẹp với hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng dàn anten đồng dạng tuyến tính (ULA) dàn anten đồng dạng tròn (UCA) với tín hiệu tương quan, không tương quan việc xác định tách biệt tín hiệu đa đường Chương 04 kế thừa phát triển kết nghiên cứu chương việc phân tách tín hiệu đa đường ước lượng hướng sóng tới tín hiệu băng rộng thu dàn anten ULA CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG 1.1 Giới thiệu chung hệ thống vô tuyến tìm phương Các hệ thống vô tuyến tìm phương thông thường phân loại dựa kiến trúc hệ thống dựa cách thức xử lý tín hiệu - Phân loại dựa vào phương thức xử lý tín hiệu: Dựa vào phương thức xử lý tín hiệu hệ thống vô tuyến tìm phương người ta chia làm ba loại sau: o Hệ thống vô tuyến tìm phương xử lý Biên độ tín hiệu o Hệ thống vô tuyến tìm phương xử lý Pha tín hiệu o Hệ thống vô tuyến tìm phương kết hợp Biên độ – Pha - Phân loại dựa vào kiến trúc hệ thống: o Hệ thống vô tuyến tìm phương với kiến trúc đa kênh o Hệ thống vô tuyến tìm phương kiến trúc đơn kênh Với hệ thống vô tuyến tìm phương tiên tiến, nhiệm vụ nghiên cứu phát triển cải thiện hiệu hoạt động hệ thống chia làm hai hướng chính: Cải tiến cấu trúc dàn anten: Hiệu hoạt động hệ thống thông tin viễn thông đa anten nói chung hệ thống vô tuyến tìm phương nói riêng bị ảnh hưởng lớn cấu trúc vật liệu, hình học… dàn anten Cải tiến phương pháp xử lý tín hiệu áp dụng cho máy thu SDR: Việc nghiên cứu, phát triển thuật toán ước lượng hướng sóng tới nhằm nâng cao độ xác, độ phân giải giảm độ phức tạp thuật toán có vai trò quan trọng đặc biệt hệ thống thời gian thực Đây vấn đề xuyên suốt mà luận án tập trung nghiên cứu 1.2 Tổng quan kỹ thuật ước lượng hướng sóng tới Thông thường, hệ thống vô tuyến tìm phương thường sử dụng dàn anten nhiều phần tử để thu tín hiệu từ tìm hướng tới tín hiệu kỹ thuật ước lượng hướng sóng tới Các phương pháp ước lượng hướng sóng tới nhà khoa học nghiên cứu phát triển từ năm cuối kỷ 19 Các kỹ thuật điển hình áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh kỹ thuật Wattson – Watt, Doppler hay giả Doppler sử dụng dàn anten Adcock dàn anten UCA Đối với hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh, có nhiều phương pháp ước lượng hướng sóng tới phát triển bao gồm phương pháp dựa tạo định dạng búp sóng Barllett, Capon, phương pháp phân chia không gian MUSIC, ESPRIT… 1.3 Mô hình tín hiệu ước lượng hướng sóng tới Dựa vào phân đoạn băng thông tỷ số băng thông tần số trung tâm người ta chia tín hiệu làm hai loại tín hiệu băng hẹp tín hiệu băng rộng Xét dàn anten có phần tử với tín hiệu tới dàn, tín hiệu đầu phần tử thứ định nghĩa ( )=ℎ ( )∗ ( − )+ ( ) (1.1) ℎ ( ) đáp ứng xung phần tử thứ , (∗) biểu thị cho phép tích chập, độ trễ tín hiệu phần tử anten thứ thành phần nhiễu trắng Giả sử ( ) tín hiệu giải điều chế tín hiệu ( ) ta có ( )= ( ) (1.3) Mô hình tổng quát cho tín hiệu băng hẹp tín hiệu băng rộng biểu diễn phương trình sau ( )≈ = ( ( ) ( ) ) ( ) ( ( ) / + ) + ( + ( + ) (1.6) ) 1.3.1 Khái quát tín hiệu băng hẹp Căn vào phương trình (1.6), tín hiệu có băng thông có tín hiệu băng hẹp biểu diễn sau ( )= ( ) ( ) + ( + = 2∆ ) ∆ ≪ 1, (1.7) 1.3.2 Khái quát tín hiệu băng rộng Đối với tín hiệu mô tả phương (1.6) có băng thông ∆ ∆ không bé so với (Băng thông ∆ lớn, với tỷ số so sánh với thành phần tần số sóng mang ) tín hiệu ( ) coi tín hiệu băng rộng xấp xỉ hóa phương trình (1.7) Nói cách khác thành phần số mũ phương trình (1.6) số tín hiệu phần tử anten không biểu diễn dạng véc tơ tín hiệu băng 1.4 Tổng quan số dàn anten nhiều phần tử sử dụng ước lượng hướng sóng tới 1.4.1 Các đặc trưng dàn anten 1.4.1.1 Đặc trưng biên độ dàn anten 4 Đặc trưng biên độ củaa dàn anten xác định phụ thuộc biên độộ cường độ trường anten điểm nằm vùng xa cách anten vào hướng quan sát 1.4.1.2 Đặc c trưng pha c dàn anten Đặc trưng pha dàn anten mặt hình học ọc tạo điểm trường vùng xa mà véctơ cường độ trường ờng có c giá trị pha 1.4.1.3 Đặc c trưng phân cực c dàn anten Đặc trưng phân cựcc c dàn anten hướng dao động củaa véc tơ cư cường độ trường theo thời gian 1.4.2 Mô hình tín hiệu u thu c số dàn anten hay sử dụ dụng kỹ thuật ước lượng hướng ng sóng tới t 1.4.2.1 Mô hình tín hiệu hi thu với dàn anten đồng tuyến n tính ULA Dàn anten đồng nhấtt tuyến tính ULA mô tả tậập hợp gồm phần tử anten đẳng hướng sắpp xếp x đường thẳng ng song song cách đđều khoảng cách không gian mô tả t Hình 1.6 Hình 1.6 Dàn anten ULA hệ tọa độ Đề Với K nguồnn phát sóng vô tuyến đặt xa dàn anten, dạng tín hiệu liên tục theo thời gian nhận phần tử anten với góc tới nằm mặt phẳng ng phương vvị là: (1.33) ( )=∑ ( ) + ( ) Trong đó, thành phần ph nhiễu can thiệp vào tín hiệu Tín hiệuu sau có th thể lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫuu khoảng thời gian rời rạc sau: ( )=∑ ( ) + ( ) (1.34) Tín hiệu thu đượcc biểu bi diễn theo phương trình (1.34) coi ddữ liệu tín hiệu nhận với nhiều mẫuu tín hiệu hi Mỗi mẫu tín hiệuu (snapshot) đư định nghĩa mẫu liệu thu th đơn giản hóa sau: =∑ + (1.35) 1.4.2.2 Mô hình tín hiệu hi thu với dàn anten đồng dạng tròn đ UCA Dàn anten đồng dạng tròn (Uniform Circular Antenna – UCA)) dàn anten bao gồm phần tử anten xếpp m đường tròn bán kính mô tả hình 1.8 Xét tới ảnh hưởng nhiễu đốii với v tín hiệu thu được, với nguồn tín hiệuu nnằm trường vùng xa dàn anten, tín hiệu nhậnn đư phần tử anten dàn UCA sẽẽ là: ( )= ( ) + ( ) (1.43) Hình 1.8 Mô hình dàn anten UCA hệ tọa độ Đề Các Mẫu rời rạc củaa tín hiệu hi thu phần tử anten thứ với tín hi hiệu tiếp cận đến mảng từ hướng mặt phẳẳng phương vị với góc tới , , … , , =∑ ( ) + (1.2) 1.5.Các thông số ảnh nh hưởng hư điều kiện đặt toán ước lượng hướng ng sóng tới t 1.5.1 Các yếu tố ảnh nh hưởng hư tới độ xác việc c ước lượng hướng sóng tới - Số lượng phần tử anten dàn - Khoảng cách giữaa phần ph tử anten – - Số lượng mẫuu tín hiệu hi - Tỷ số tín hiệu tạạp âm (SNR) - Tính tương quan giữ ữa tín hiệu 1.5.2 Điều kiện n ràng buộc bu ban đầu toán ước lượng ợng hư hướng sóng tới luận án - Số lượng tín hiệu tớ ới dàn anten biết trước - Môi trường truyềnn dẫn d đồng nhất, đẳng hướng tuyến tính - Nguồn tín hiệu tớii nằm n trường vùng xa dàn anten - Các tín hiệu bị ảnh nh hưởng hư nhiễu trắng 1.5.3 Phương pháp đánh giá kết k nội dung đề xuất CHƯƠNG XÁC ĐỊNH HƯỚNG NG SÓNG TỚI T CỦA TÍN HIỆU U BĂNG H HẸP SỬ DỤNG HỆ THỐNG NG VÔ TUYẾN TUY TÌM PHƯƠNG ĐƠN KÊNH 2.1.Giới thiệu chung ề hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh Hình 2.1 Sơ đồ đ khối hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh Hệ thống vô tuyếnn tìm phương ph kiến trúc đơn kênh hệ thống ng vô tuyến tìm phương sử dụng dàn anten nhiều phầnn tử, t phần tử kết nối tới mộtt máy thu qua thông qua chuyển mạch cao tần với v sơ đồ khối mô tả hình 2.1 Các thu thuật toán điển hình ứng dụng với hệ thống ng thu loại lo kể đến thuậtt toán Watson – Watt, thuật toán giả Doppler (Pseudo – Doppler) kỹ thuật ước lượng hướng ng sóng ttới dựa vòng khóa pha– PLL Ưu điểm hệ thống ng vô tuyến tìm phương đơn kênh kiếnn trúc máy thu đơn gi giản, nhỏ gọn, tiết kiệm giá thành c công suất tiêu thụ Kiếnn trúc phù hhợp với việc triển khai thiết bịị di động có độ xác so vvới hệ thống đa kênh, thuật toán xử lý phứcc tạp t yêu cầu độ ổn định hệ thống, ng, ttốc độ cao chuyển mạch cao tần đặcc biệt bi ứng dụng thời gian thực 2.2 Một số thuậtt toán điển hình áp dụng cho hệ thống ng vô tuyến tìm phương đơn kênh 2.2.1 Kỹ thuậtt Wattson – Watt 2.2.2 Kỹ thuậtt Doppler giả gi Doppler 2.3 Kỹ thuật xác định hướng hư sóng tới dựa a vòng khóa pha 2.3.1 Kiến trúc hệ thống ng Hình 2.5 Sơ đồ khối kh hệ thống vô tuyến tìm phương dựaa phương pháp PLL Hệ thống vô tuyếnn tìm phương ph đơn kênh áp dụng phương pháp PLL – DOA Hệ thống bao gồm dàn anten UCA có M phần tử kết nối tới chuy chuyển mạch sang máy thu định nh nghĩa ngh phần mềm Tín hiệu thu từ ph phần tử anten rời rạc hóa đưa đến bộộ vòng khóa pha nhằm xác định pha củaa tín hi hiệu phần tử anten Dữ liệu pha củaa tín hiệu hi thu phần tử anten sau đư đưa tới khối xác định DOA để tìm thông tin v hướng sóng tới 2.3.2 Mô tả phương pháp PLL – DOA truyền thống Như đãã phân tích chương ch 1, tín hiệu đầu không nhiễu m phần tử anten có đường bao phức đượcc biểu bi diễn sau: (2.28) ( )= ( ) = ( ) Trong đó: ( ):: tín hiệu hi tin tức; : độ tăng ích anten thứ m m; : góc tới tín hiệu; : Thành phần dịch ch pha ngẫu ng nhiên đường truyền : số phầần tử anten, = 0÷ − Trong trường hợpp tín hiệu hi điều chế pha, vào phương tr trình (2.28), mặt lý thuyết thấyy r pha tín hiệu nhận phần tử anten thứ đầu PLL thứ tương ứng: = cos − + Dựa vào phương trình ình (2.29), dễ dàng xác định nh đư góc tới hiệu theo công thức: = Với Λ = , trườ ờng hợp − = Λ = (2.29) tín (2.30) Hình 2.8 Pha tín hiệu tới dàn anten Tuy nhiên, thực tế thành phần pha ngẫu nhiên biết trước Do đó, tính từ công thức (2.30) Mặt khác, trường hợp tín hiệu điều chế, pha tín hiệu bị biến đổi theo quy luật điều chế Hơn nữa, đặc điểm cần lưu ý đặc tính vòng khóa pha vòng khóa pha khống chế pha đầu tín hiệu bị khóa nằm khoảng (− ÷ ) Hình 2.8 biểu diễn đường pha tín hiệu thu dàn anten phần tử Như vậy, theo phân tích trên, pha tín hiệu nhận phần tử anten thứ biểu diễn lại sau: = ( − )+ (2.31) + Với = ÷ − ; = 0, ±1, ±2; Rõ ràng, với thành phần pha tín hiệu nhận mô tả phương trình (2.31) ước lượng hướng tới = tín hiệu từ giá trị pha đầu PLL Để làm điều cần phải xác định chuỗi tương ứng Thành phần ngẫu nhiên, không xác định Còn chuỗi , giả sử trường hợp biết , phải tạo sở liệu pha bao gồm tất giá trị có chuỗi ứng với giá trị cho trước Từ ta đem so sánh chuỗi giá trị pha đầu vòng khóa pha với sở liệu vừa tạo lập (không gian tìm kiếm) lựa chọn chuỗi phù hợp phương pháp bình phương tối thiểu Do với giá trị phải tạo trường hợp chuỗi giá trị Kết hợp với số lượng xét đến (giả sử giá trị), liệu tạo lớn, khối lượng phép tính nhiều khiến tốc độ tính toán chậm gây khó khăn việc triển khai ứng dụng thời gian thực Để ước lượng DOA, phương pháp PLL – DOA truyền thống đề xuất đặt điều kiện biên cho toán, từ giảm thiểu không gian tìm kiếm tăng tính khả thi giải thuật Trước tiên, phương pháp PLL – DOA truyền thống tiến hành loại bỏ thành phần sai pha đường truyền đơn giản cách xác định sai khác pha đầu (hiệu pha) tín hiệu phần tử anten liên tiếp Trong trường hợp lý tưởng sai khác pha đầu phần tử ăng tên liên tiếp là: ∆ = − = −2Λ ( )sin ( − + ) (2.32) Như vậy, thành phần sai pha đường truyền bị loại bỏ Mặt khác, hiệu pha cặp phần tử anten biến đổi theo quy luật điều hòa biến thiên theo số phần tử anten ( ) với biên độ 2Λ biểu diễn Hình 2.9 8 Hình 2.9 Đường cong sai khác đích Tuy nhiên, thực tế tín hiệu bị điều chế xét tới đặc tính khống chế pha PLL, sai khác pha đầu tính toán PLL phần tử anten liên tiếp là: ∆ = − = −2Λ sin − + +∆ (2.33) Qũy tích điểm biểu diễn giá trị sai khác pha thực tế mô tả phương trình (2.33) gọi “Đường cong sai khác thu được” Từ hai phương trình (2.32) (2.33) thấy “Đường cong sai khác đích” “Đường cong sai khác thu được” khác đại lượng Δ Như vậy, toán xác định = phải xác định đại lượng Δ hay đơn giản chuỗi Δ Tuy nhiên, thấy dải biến thiên Δ lớn nhiều so với dải biến thiên phương trình (2.31) Điều có nghĩa không gian tìm kiếm bị mở rộng Để giải toán, cần phải đặt điều kiện biên nhằm thu hẹp không gian tìm kiếm Δ Để ý rằng, dựa vào phương trình (2.32), nhận thấy tất giá trị có điểm nằm “Đường cong sai khác đích” lớn Đây điều kiện biên để loại bỏ tất trường hợp có “Đường cong sai khác thu được” tương ứng giá trị Δ ngoại trừ trường hợp: - Trường hợp 1: Giá trị điểm nằm “Đường cong sai khác thu được” giá trị điểm tương ứng “Đường cong sai khác đích” (Δ = 0) - Trường hợp 2: Giá trị điểm nằm “Đường cong sai khác thu được” giá trị điểm tương ứng “Đường cong sai khác đích” cộng trừ thêm ( = −1 Như vậy, tổng số giá trị có Δ giảm xuống giá trị có Δ tức không gian tìm kiếm khả có “Đường cong sai khác thu được” tương ứng với giá trị xác định Giả sử có tập giá trị tạo liệu bao gồm × khả “Đường cong sai khác thu giả định” Dựa vào liệu vừa tạo “Đường cong sai khác thu giả định”, tìm đường cong gần giống với “Đường cong sai khác thu được” qua thuật toán bình phương tối thiểu tức xác định chuỗi Δ tương ứng loại bỏ khỏi phương trình (2.33) Để xác định xác DOA, véc tơ đánh giá DOA thiết lập dựa tính chất biến đổi DFT Véc tơ bao gồm giá trị “Đường cong sai khác đích” sau loại bỏ chuỗi Δ tương ứng với giá trị : ⎡ −2Asin( )sin ( − + ) ⎤ ⎢ ⎥ [ ] = ⎢ −2Asin( )sin ( − + ) ⎥ … ⎢ ⎥ − + )⎦ ⎣−2Asin( )sin ( (2.35) Với giá trị ( ) tương ứng với điểm lấy mẫu hàm số mô tả đường cong sai khác đích Từ tính DFT véc tơ ( ): M 1 F[ ] = (2.36)  f [ m] m 0 Nhận thấy tất giá trị [ ] = trừ trường hợp [1] = ∁( ( − ) + ( − )) = Khi (2.37) Từ thông tin góc tới DOA tín hiệu tính sau: = ( [1]) − + (2.38) 2.3.3 Mô tả phương pháp PLL – DOA cải tiến 2.3.3.1 Đánh giá hiệu phương pháp PLL – DOA truyền thống Với phương pháp PLL, để xác định thông tin DOA cần tạo lập sở liệu giá trị có chuỗi Δ Số lượng khả không gian tìm kiếm hàm số mũ Để giảm thiểu số khả tức giảm không gian tìm kiếm đảm bảo độ xác ước lượng DOA, luận án đề xuất phương pháp gọi phương pháp PLL - DOA cải tiến 2.3.3.2 Phương pháp PLL - DOA cải tiến 2.3.3.2.1 Trường hợp tín hiệu không điều chế Trong trường hợp tín hiệu không điều chế pha tín hiệu thu phần tử anten biến đổi theo quy luật điều hòa mô tả phương trình (2.29) Tuy nhiên ảnh hưởng đặc tính PLL, “Đường cong sai khác thu được” nhiều trường hợp không minh họa Hình 2.11 Hình 2.11 Đường cong sai khác thu từ PLL Hình 2.12.Đường cong sai khác thu thứ từ PLL Do để xác định DOA theo phương pháp DFT, cần phải khôi phục “Đường cong sai khác đích” từ “Đường cong sai khác thu được”, tức cần xác định điểm tương ứng bị PLL thay đổi pha Muốn vậy, “Đường cong sai khác thu thứ 2” xây dựng theo phương trình (2.39) mô tả Hình 2.12 Chúng ta sử 10 dụng đường cong để chuẩn hóa “Đường cong sai khác thu được” cách tìm tất điểm pha thuộc đường cong có giá trị lớn π nhỏ – π (2.1) ∆ =∆ −∆ =− ( )cos ( − + ) 2.3.3.2.2 Trường hợp tín hiệu bị điều chế Trong trường hợp tín hiệu có điều chế toán xác định DOA cần phải giải hai vấn đề loại bỏ thành phần chuỗi Δ có Tương tự phương pháp PLL DOA truyền thống, phương pháp PLL - DOA cải tiến tiến hành khôi phục “Đường cong sai khác đích” từ “Đường cong sai khác thu được” Với “Đường cong sai khác thu được” từ liệu pha tính toán từ PLL, thấy với tín hiệu điều chế mức số lượng thay đổi pha có tín hiệu (2 − 1) Giả sử có mức sai pha (2 − 1) khả xuất phần tử anten Tức ta giả thiết giá trị phần tử anten biết Dựa vào giả thiết sử dụng phương trình (2.33) tính giá trị DOA tương ứng Giá trị DOA gọi giá trị DOA giả định Từ giá trị DOA giả định này, áp dụng phương trình (2.32) tính “Đường cong sai khác đích giả định” Sau dựa vào “Đường cong sai khác thu được” để tính chuỗi tạm thời đồng thời áp dụng thuật toán bình phương tối thiểu xác định sai số “Đường cong sai khác thu được” với “Đường cong sai khác thu giả định” với chuỗi vừa tính Chuỗi ứng với sai số bé chọn để ước lượng DOA 2.3.3.2.3 Phương pháp PLL - DOA cải tiến môi trường đa đường Giả sử có hai tín hiệu nói đến dàn anten lúc Tín hiệu số 1và số đến từ góc , tín hiệu đầu phần tử anten là: , ( ) = ( + ( – ) + ) (2.40) , ( ) = ( + ( – ) + ) (2.41) Với tần số sóng mang; , sai pha đường truyền hai tín hiệu; , góc tới DOA hai tín hiệu đó.Tín hiệu đầu phần tử anten tổng tín hiệu Như vậy, sử dụng PLL nói trên, pha đầu PLL là: = + ( ) ( − ) (2.49) Từ áp dụng phương pháp PLL - DOA cải tiến ước lượng thông tin DOA Tuy nhiên, giá trị hướng sóng tới DOA ước lượng là: (2.53) = Mặt khác, dựa vào “Đường cong sai khác thu được” ta có Δ = ( )= −2Λsin( )sin( – – ) (2.54) Vậy ’= ( ) (2.55) Do ta tính được: = + = − (2.56) 2.3.4 Kết mô đánh giá hiệu phương pháp PLL - DOA cải tiến 11 Phương pháp đề xuất xác định thành công DOA = 45 tín hiệu BPSK có tần số = 750 môi trường nhiễu trắng có SNR =10dB kết mô Hình 2.14 Hình 2.14 Kết ước lượng hướng sóng tới DOA = 450 Khi so sánh, với phương pháp PLL – DOA truyền thống, phương pháp đề xuất cải thiện đáng kể tốc độ tính toán với kết mô trình bày Bảng 2.1 Bảng 2.1.Bảng so sánh thời gian tính toán hai phương pháp PLL DOA (độ) Phương pháp PLL - DOA truyền thống Phương pháp PLL - DOA cải tiến (giây(s)) (giây(s)) 35 0.5131 0.0134 40 0.5019 0.0131 45 0.5103 0.0129 53 0.5139 0.0134 68 0.5115 0.0129 77 0.5253 0.0132 89 0.5505 0.0130 Độ xác xác định DOA phương pháp đề xuất bị ảnh hưởng tham số số lượng phần tử anten, số lượng mẫu tín hiệu kết mô Hình 2.15 Hình 2.16 Hình 2.15 Kết ước lượng DOA với số lượng anten thay đổi Hình 2.16 Kết ước lượng DOA với số lượng mẫu thay đổi Trong trường hợp có tượng đa đường phân tích phần trên, giả sử có tín hiệu đến dàn anten có tần số lượng hai góc 40 50 môi trường nhiễu trắng có = 10 với kết mô trình bày Hình 2.18 12 Hình 2.18 Kết ước lượng hướng tới hai tín hiệu hai góc 400 500 CHƯƠNG XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA CÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP SỬ DỤNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG ĐA KÊNH 3.1 Giới thiệu chung hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh Hệ thống vô tuyến tìm phương có kiến trúc đa kênh hệ thống sử dụng dàn anten nhiều phần tử tín hiệu đến phần tử dàn thu xử lý máy thu độc lập Các máy thu có vai trò tiền xử lý tín hiệu, đầu máy thu sở để hệ thống xác định thông tin hướng tới tín hiệu sóng cao tần Sơ đồ khối hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh mô tả Hình 3.1 Các thuật toán ứng dụng với hệ thống loại bao gồm thuật toán có độ phân giải cao MUSIC, ESPRIT, Correlative Vector (CV) Ưu điểm hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh độ xác cao, thuật toán xử lý đơn giản Tuy nhiên hệ thống kiểu có số nhược điểm kiến trúc phức tạp, chi phí cao giá thành công suất tiêu thụ, nhiều trường hợp thực tế không khả thi thiết bị di động Phần luận án sâu phân tích chi tiết số thuật toán ước lượng hướng sóng tới ứng dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh 3.2 Một số thuật toán điển hình áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh 3.2.1 Thuật toán Véc tơ tương quan 3.2.2 Thuật toán MUSIC 3.2.3 Một số thuật toán khác 3.3 Sơ lược thuật toán Matrix Pencil 13 3.3.1 Thuật toán Matrix Pencil Thuật toán Matrix Pencil – MP bắt nguồn từ định nghĩa hàm bút chì Với hai hàm số biến thiên theo tham số thời gian , hai hàm kết hợp lại thông số vô hướng theo công thức sau: (3.11) ( , ) = ( ) + ℎ( ) Khi hàm ( , ) gọi hàm bút chì hàm ( ) ℎ( ) Hàm bút chì chứa đặc tính quan trọng việc đưa thông tin điểm cực hàm số bị kết hợp ứng dụng việc ước lượng tham số tín hiệu hàm số mũ 3.3.2 Thuật toán TFBMP Thuật toán TFBMP thuật toán kế thừa phát triển dựa thuật toán gốc MP Đối với thuật toán MP, ma trận thu xây dựng từ tín hiệu gốc thu phần tử anten Đối với thuật toán TFBMP, ma trận thu xây dựng dựa tín hiệu gốc thu từ phần tử anten đồng thời kết hợp với liên hợp phức tín hiệu Giả thiết ta có tín hiệu thu từ dàn anten gồm phần tử Ở phần tử anten thứ tín hiệu thu được mô tả sau: K xm  | bk |e((  j )m  j )  n  k 1 k k (3.42) k k Đối với thuật toán TFBMP, xây dựng hai ma trận sau:  z z  zL2 zL 1  Y0 fb2 M LL   0* * * *   z L zL 1  z2 z1  (3.43)  z z  z L1 z L  Y1 fb2 M LL   *1 * * *  zL1 zL  z1 z0  Trong dấu “ ∗ ” biểu thị liên hợp phức tín hiệu, điều kiện sau: ≤ ≤ − số chẵn ≤ ≤ − + số lẻ ( = , … , ) định nghĩa công thức: = [ … (3.44) tham số bút chì thỏa mãn (3.45) (3.46) ] Từ (3.43)0 (3.44) ta xây dựng hàm Pencil − ( số phức) để ước lượng hướng tín hiệu đến (DOA) Nhưng với tín hiệu bị nhiễu, cách tốt thực việc phân tích giá trị kì dị (SVD) ma trận toàn liệu Ma trận toàn liệu định nghĩa sau:  z z  z L 1 z L  (3.47) Y fb2 M L  L1   *0 1* * * z z  z z L 1 0  L Mặt khác khai triển SVD ta có: ( )×( ) = ( )× ( ) ( )×( ) ( )×( ) (3.50) Trong “ ” biểu diễn phép biến đổi chuyển vị liên hiệp phức ma trận Các ma trận , , cho bởi: = ( , , … , ), với = (2( − ) , + 1) 14 ≥ = [ , = ≥ … ≥ ,…, ) ]; ( ≥ = [ , , = 1, … , ; (3.53) ,…, = = , )] ( ; , = 1, … , = (3.58) giá trị kì dị véc tơ tương ứng véc tơ kì dị thứ phía trái phía phải ứng với giá trị kỳ dị Từ giá trị thu được, áp dụng kỹ thuật lọc giá trị kì dị để thu giá trị kì dị lớn với số nguồn tín hiệu đến dàn anten cách xây dựng ma trận sau: ( )×( ) = ( )× × ×( ) (3.59) Trong { , = ,…, } (3.60) chứa giá trị kì dị lớn , ma trận xây dựng cách thiết lập cột véc tơ riêng tương ứng với giá trị kỳ dị Từ ta thiết lập hai ma trận cách xóa cột thứ + cột thứ ma trận sau: = [ ], , = [ , ] (3.61) Tương tự bước phân tích trên, ta thiết lập ma trận sau: = = ; (3.62) Từ kết trên, ta xây dựng mà trận bút chì: − (3.64) Và nhân phía phải (3.64) với riêng ta đồng thời thiết lập phương trình khai triển giá trị − Trong = (3.65) ma trận giả nghịch đảo Moore – Penrose = ( ) (3.66) Thay (3.63) (3.66) vào (3.65), ta có ( − Nhân hai vế theo phía phải với ( − )= (3.67) , ta có )= (3.68) Như vậy, việc tính giá trị riêng tổng quát từ (3.68) ta ước lượng giá trị điểm cực xuất tín hiệu 3.4 Kỹ thuật xác định hướng sóng tới sử dụng thuật toán TFBMP 3.4.1 Xác định hướng sóng tới tín hiệu thu từ dàn anten ULA 3.4.1.1 Phân tích lý thuyết Giả sử hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng dàn anten đồng dạng tuyến tính ULA với phần tử Như phân tích chương 1, dạng rút gọn mô hình tín hiệu thu phần tử anten thứ có dạng rời rạc theo thời gian biểu diễn phương trình (1.35), phương trình nhắc lại là: =∑ + (3.70) 15 Rõ ràng, mô hình tín hiệu biểu diễn phương trình (3.70) có dạng tương tự dạng phương trình (3.15) Do đó, bước áp dụng triển khai thuật toán TFBMP cho tín hiệu dựa vào phương trình (3.68), thông số = tín hiệu tìm theo công thức: = ℑ[ Trong ℑ[ ( )] thành phần ảo 3.4.1.2 Kết mô đánh giá ( )] (3.72) ( ) Hình 3.9 Kết ước lượng DOA tín hiệu Hình 3.10 Kết ước lượng DOA thuật toán đến dàn anten ULA với mẫu tín hiệu MUSIC tín hiệu đến dàn anten ULA với mẫu tín hiệu Thuật toán kiểm thử với trường hợp có nhiều nguồn tín hiệu không tương quan tới dàn anten lúc góc DOA −20 , 40 65 môi trường nhiễu trắng có = với mẫu tín hiệu với kết mô Hình 3.9 Cũng điều kiện vậy, thuật toán MUSIC không tìm góc tới kết Hình 3.10 Hình 3.11 Kết ước lượng DOA tín hiệu tương quan góc -20,40 65 độ với mẫu tín hiệu sử dụng anten ULA Hình 3.12 Kết ước lượng DOA với thuật toán MUSIC tín hiệu tương quan góc -20,40 65 độ với mẫu tín hiệu sử dụng anten ULA Trong trường hợp tín hiệu đến tín hiệu tương quan, thuật toán tiến hành mô nhằm đánh giá hiệu hoạt động Trong mô này, thuật toán đề xuất xác định hướng tới tín hiệu tương quan có tần số GHz với góc đến trường hợp trước −20 , 40 65 Trong đó, dù với 1000 mẫu tín hiệu thuật toán MUSIC không xác định DOA tín hiệu Kết mô Hình 3.11 Hình 3.12 16 Độ xác thuật toán TFBMP xác định DOA chịu tác động số lượng mẫu tín hiệu nhiễu môi trường truyền dẫn Sự ảnh hưởng thể kết mô trình bày Hình 3.15 3.16 Hình 3.15 Độ xác xác định DOA( 20, 40 65) với dàn ăng ten ULA thay đổi số lượng mẫu tín hiệu Hình 3.16 Độ xác xác định DOA( 20, 40 65) với dàn ăng ten ULA thay đổi số lượng mẫu tín hiệu Thuật toán TFBMP đánh giá tốt so với thuật toán MP Các kết mô chứng minh thuật toán TFBMP có hiệu hoạt động tốt hay nói cách khác cải thiện hiệu hoạt động thuật toán MP, đặc biệt môi trường bị ảnh hưởng lớn nhiễu môi trường có tính tương quan cao Hình 3.17 So sánh độ xác TFBMP Hình 3.18 So sánh độ xác TFBMP với với MP trường hợp tín hiệu không MP trường hợp tín hiệu tương quan sử tương quan sử dụng dàn anten ULA dụng dàn anten ULA Trong điều kiện nhiễu trắng có SNR = 5dB, thuật toán có khả phân biệt góc tới cách tín hiệu không tương quan trường hợp tín hiệu tới tương quan lẫn So với số thuật toán có độ phân giải cao khác MUSIC thuật toán có độ phân giải trường hợp tín hiệu không tương quan 3.4.2 Xác định hướng sóng tới tín hiệu thu từ dàn anten UCA 3.4.2.1 Phân tích lý thuyết Giả sử hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng dàn anten UCA với phần tử để thu tín hiệu đến môi trường nhiễu trắng, tín hiệu đầu rời rạc theo thời gian phần tử anten thứ biểu diễn phương trình (1.2) nhắc lại sau: 17 − = 2 − + (3.73) + =1 Rõ ràng, với mô hình tín hiệu thu phương trình (3.73) dạng mô tả phương trình (3.15) Do để áp dụng thuật toán TFBMP, tín hiệu biểu diễn lại thông qua chế độ kích thích chế độ pha hay Khi đó, có ( )=∑ Với − ≤ ≤ độc lập với lượng ≈ ( ) (3.86) ; ℐ ( ) hàm Bessel loại bậc Mặt khác, hảm Bessel khác với mode Do đó, ta thiết lập đại lượng chuẩn = ℐ| | hóa ; ( ) + ℐ| | để nhân vào vế phải phương trình (3.86) nhân đại với mẫu liệu nhận từ dàn anten Từ ta có: ̅ , ( )= , , ( )= , ( ) ℐ| | ( ) =∑ ( ) + , ( ) (3.87) Với = Như vậy, với mô hình tín hiệu thu biểu diễn lại phương trình (3.87) có dạng giống dạng tín hiệu phương trình (3.15) Từ đó, luận án áp dụng thuật toán TFBMP với lựa chọn giá trị = thỏa mãn ≤ ≤ để xác định tham số theo công thức: = ℑ( ( )) (3.88) ( ) Trong ℑ[ ( )] thành phần ảo 3.4.2.2 Kết mô đánh giá Cũng tương tự trường hợp xét với dàn anten ULA, trường hợp này, thuật toán TFBMP thử nghiệm với tình sau Trước tiên, thuật toán kiểm thử trường hợp có nguồn tín hiệu tới không tương quan tần số khác tới dàn anten UCA góc DOA −50 , 60 160 tín hiệu tương quan góc DOA (−30 , 110 ) môi trường bị ảnh hưởng nhiễu trắng có =5 với mẫu tín hiệu Kết mô trình bày Hình 3.20 Hình 3.27 Hình 3.20 Kết ước lượng DOA tín Hình 3.27 Ước lượng hướng sóng tới tín hiệu không tương quan đến dàn anten UCA hiệu tương quan tới dàn anten UCA Từ Hình 3.200, ta thấy thuật toán TFBMP ước lượng thành công góc tới tín hiệu thu dàn anten UCA với mẫu tín hiệu So với trường hợp sử 18 dụng dàn anten ULA, độ xác trường hợp bị giảm xuống Hiện tượng để ước lượng tham số góc tới tín hiệu dàn anten UCA thuật toán phải lấy xấp xỉ giá trị liệu chuẩn hóa mô hình định dạng búp sóng kích thích pha Tuy nhiên kết mô chứng minh khả ước lượng góc tới lớn góc 90 dàn anten UCA Sự phụ thuộc độ xác thuật toán vào số lượng mẫu tín hiệu nhiễu minh họa kết mô trình bày Hình 3.21 Hình 3.25 Rõ ràng, thuật toán TFBMP xác định góc tới tín hiệu với mẫu tín hiệu số mẫu tín hiệu lớn 600 mẫu độ xác dường không thay đổi Hình 3.21 Độ xác ước lượng DOA tín hiệu không tương quan góc −50 , 60 160 đến dàn anten UCA theo dải SNR Hình 3.25 Độ xác ước lượng DOA tín hiệu không tương quan góc −50 , 60 160 theo số lượng mẫu tín hiệu Tương tự trường hợp sử dụng dàn anten ULA, độ xác thuật toán đề xuất so sánh với thuật toán MP thông thường Trong so sánh này, hai thuật toán thực thi để ước lượng hướng sóng tới tín hiệu đến từ góc −50 , 60 160 với tín hiệu không tương quan góc −30 , 110 với tín hiệu tương quan sử dụng mẫu tín hiệu Kết mô cho Hình 3.26 Hình 3.30 cho thấy trường hợp sử dụng dàn anten UCA, thuật toán TFBMP tốt so với thuật toán MP Hình 3.26 So sánh độ xác TFBMP Hình 3.30 So sánh độ xác TFBMP với MP trường hợp tín hiệu không với MP trường hợp tín hiệu không tương quan tới dàn anten UCA tương quan tới dàn anten UCA Trong mô cuối cùng, luận án đánh giá độ phân giải thuật toán hai trường hợp tín hiệu không tương quan tương quan môi trường nhiễu trắng có = 10 Các kết mô cho thấy độ phân giải góc thuật toán với dàn 19 anten UCA trường hợp tín hiệu không tương quan tín hiệu tương quan Rõ ràng, độ phân giải thuật toán có độ phân giải cao thuật toán MUSIC Đây yếu điểm thuật toán TFBMP so với thuật toán siêu phân giải khác CHƯƠNG XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA CÁC TÍN HIỆU ĐA ĐƯỜNG VÀ TÍN HIỆU BĂNG RỘNG 4.1.Xác định hướng sóng tới tín hiệu đa đường 4.1.1 Phân tích lý thuyết Giả thiết hệ thống vô tuyến tìm phương sử dụng dàn anten ULA thu đường, tín hiệu thu phần tử anten mô hình hóa sau: ( )=∑ ( ) tín hiệu đa ( , )+ (4.1) ( , ) véc tơ Trong thời gian truyền tín hiệu đường truyền thứ ; quét thời gian – góc tới tín hiệu đến thứ phần tử anten thứ Trong hệ thống vô tuyến tìm phương thu tần số với bước nhảy Δ , véc tơ quét thời gian – góc tới phụ thuộc vào tần số bậc Sự phụ thuộc biểu diễn sau: Trong ∆ , ()=2 ∆ ( , )= , ∆ + , () (4.2) ( ) sai pha tín hiệu đa đường thứ thu phần tử anten thứ m tần số thứ với phần tử tham chiếu tần số trung tâm Với tín hiệu tín hiệu đa đường thứ thu phần tử anten thứ tần số thứ (tức = + ∆ ), phương trình (4.1) biểu diễn lại sau: , ( ) ∆ ≈∑ + =∑ (4.3) + ( ) ∆ Trong = = Nhằm thể tính liên quan thông số góc tới thời gian truyền sóng tín hiệu, xây dựng ma trận liệu sau: = ∑ ⎡ ⎢∑ ⎢⋮ ⎢ ⎣∑ ( ) ( ) ( ∑ ∑ ⋮ ) ∑ ∆ ( ) ∆ ( ∆ ) ( ) …∑ …∑ ⋮ …∑ ( )∆ ( )∆ ( )∆ ( ) ( ) ( ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ) ⎦ + × (4.5) Để triển khai phương pháp TFBMP, trước tiên xây dựng hai ma trận sau:  X m,0   X m,1 Ym     X m, L1 1 X m,1 X m,2 X m, L1 X m, N  L1   X m, N  L1 1    X m, N 1  L1 ( N  L1 1) (4.7) 20  Y0 Y1  Y2  Y Yb    Y Y  L2 1 L2 YM L2   YM L2 1   (4.8)  YM 1   L1L2 ( M  L2 1)( N  L1 1) Trong tham số bút chì để tính toán tham số DOA TOA tương ứng tương ứng Các tham số bút chì chọn thỏa mãn điều kiện sau: ( − 1) ≥ ( − 1) ≥ + 1)( − + 1) ≥ ( − (4.9) Tiếp theo, thiết lập ma trận , để từ xác định thông tin hướng sóng tới = thời gian truyền sóng = Ma trận thiết lập sau: = (4.11) ∗ )( ×( ) Đối với môi trường bị ảnh hưởng nhiễu, khai triển SVD ma trận được: = nhận (4.12) Trong “ ” biểu thi phép toán chuyển vị liên hợp, ma trận ma trận Unita ma trận ma trận đường chéo hình thành giá trị kỳ dị ≥ ≥⋯≥ ma trận , với = (2 , ( − + 1)( − + 1)) Ma trận phân tích thành hai ma trận biểu thị không gian tín hiệu không gian nhiễu có khai triển SVD = + (4.14) Từ ma trận không gian tín hiệu thiết lập hai ma trận cách xóa hàng cuối hàng ma trận tương ứng Tiếp theo, thiết lập ma trận vuông kích thước × với ma trận giả nghịch đảo Moore – Penrose ma trận Nhận thấy ma trận có giá trị riêng giá trị Do việc tính toán giá trị riêng tổng quát ma trận ước lượng góc tới DOA tín hiệu công thức sau: = ℑ( ( ))] sin[ − (4.18) Trong ℑ( ( )) phần ảo ( ) Đối với việc ước lượng thông số thời gian truyền sóng = , cần phải tính toán giá trị đại lượng Để tính toán đại lượng này, trước tiên xây dựng ma trận xáo trộn =[ Ma trận … tạo dựng từ ma trận =[ ] (4.19) định nghĩa sau: … ( ) ], (4.20) ( = 1, … ) Ở ( ) với ( = + (2 − 1) ) véc tơ cột bao gồm phần tử Phần tử thứ véc tơ gán phần tử khác gán Từ ma trận , 21 hai ma trận trận với tạo cách xóa hàng đầu hàng cuối ma = (4.21) Cũng tương tự trên, coi thông số = độc lập với thông số DOA, thông số tính toán khai triển giá trị riêng ma trận với ma trận giả nghịch đảo = − ℑ( ( )) (4.22) Để xác định TOA, thực phép khai triển giá trị riêng EVD ma trận = (4.23) Với véc tơ riêng ma trận bao gồm giá trị riêng = , ma trận đường chéo kích thước Từ đó, thiết lập ma trận × (4.25) Với véc tơ riêng ma trận Điều có nghĩa thứ tự phần tử đường chéo ma trận tương ứng với thứ tự phần tử nằm đường chéo ma trận Vì vậy, sau ma trận thiết lập, sử dụng phần tử đường chéo để ước lượng thông số = 4.1.2 Kết mô đánh giá Trong mô đầu tiên, luận án tiến hành thực thi phương pháp đề xuất nhằm ước lượng đồng thời tham số hướng sóng tới thời trễ truyền sóng tín hiệu đa đường có tần số = với cặp giá trị (0 , 15 ), (60 , 25 ) (−60 , 20 ) môi trường nhiễu có = Kết mô trình bày Hình 4.2 Hình 4.2 Kết mô ước lượng đồng thời thông số TOA DOA tín hiệu đa đường Độ xác phương pháp toán đánh giá theo thông số riêng biệt Việc ước lượng thông số hướng sóng tới DOA luận án đánh giá phần 3.4.1 Do đó, phần này, luận án sâu phân tích đánh giá hiệu hoạt động thuật toán ước lượng thời gian truyền sóng TOA tín hiệu Trong mô phỏng, thuật toán TFBMP thực thi nhằm ước lượng thời gian trễ truyền sóng tín hiệu đa đường 15, 20 25 Kết mô trình bày Hình 4.4 Hình 4.5 cho thấy thuật toán hoạt động tốt với mẫu tín hiệu sai số giảm số lượng mẫu tăng lên 22 Hình 4.4 Độ xác kết ước lượng thông Hình 4.5 Độ xác kết ước lượng thông số TOA tín hiệu đa đường với mẫu tín số TOA tín hiệu đa đường với số lượng hiệu SNR thay đổi mẫu tín hiệu thay đổi 4.2 Xác định hướng sóng tới tín hiệu băng rộng 4.2.1 Phân tích lý thuyết Giả sử hệ thống vô tuyến tìm phương sử dụng dàn anten ULA gồm phần tử để thu tín hiệu băng rộng đến từ hướng khác Tín hiệu băng rộng nhận phần tử anten thứ biểu diễn sau ( )=∑ Trong ( − )+ tín hiệu thứ đến dàn anten, ( ) (4.26) thành phần nhiễu trắng, = với khoảng cách phần tử anten thứ với điểm tham chiếu (trong trường hợp gốc tọa độ) vận tốc truyền sóng điện từ không gian Khi biểu diễn miền tần số, dạng tín hiệu ( )=∑ ( ) + ( ) (4.27) Để ước lượng hướng tới DOA, tín hiệu băng rộng thu phần tử anten chia thành nhiều băng tần ứng với tín hiệu băng hẹp cách sử dụng chuỗi lọc dựa kỹ thuật DFT Tín hiệu đầu lọc biểu diễn dạng véc tơ sau: ( Trong )= ( , ) ( )+ ( ), = 0, … (4.28) số lượng khoảng băng hẹp ( ( )=[ )=[ ( ( ) ) ( ( ) … ( ) … ( Với “ ” biểu thị cho phép chuyển vị ma trận, ( , ) ma trận quét góc kích thước × : ( , )=[ ( , ) ( , ) … Các cột ma trận véc tơ quét ( băng thứ Véc tơ định nghĩa: ( Với −1 = 0,1, … , , )= (4.29) )] < ( , )] , (4.30) < )] ) kích thước … góc tới tín hiệu thứ với = 0,1, … − 1, (4.31) × tần số tức (4.32) 23 Xét băng thứ , đặt hiệu băng hẹp khoảng có dạng: ( )=∑ ( ) + ( = ), với với = 1÷ = ÷ , tín −1 (4.33) Như vậy, mô hình tín hiệu biểu diễn phương trình (4.33) có dạng tương tự dạng phương trình (3.15) Do đó, bước áp dụng triển khai thuật toán TFBMP cho tín hiệu với tham số bút chì lựa chọn thỏa mãn: ≤ ≤ − , số chẵn (4.34) ≤ ≤ − + 1, số lẻ Từ thông tin hướng tới tín hiệu khoảng tần số thứ dễ dàng ước lượng theo công thức sau: = [ − 4.2.2 Kết mô đánh giá ℑ( ( ))] (4.35) Trong mô phỏng, luận án giả thiết tín hiệu băng rộng đến từ trường vùng xa thu dàn anten ULA phần tử góc −30 , 10 , 60 môi trường nhiễu trắng có = 10 Các tín hiệu nằm dải băng tần cao có tần số nằm dải [ ÷ ] với f = 5.944 GHz f = 10.234 GHz theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4a Theo chuẩn đó, tín hiệu băng rộng chia làm 11 băng tần Kết mô thuật toán tất băng tín hiệu lưu Bảng 4.2 Bảng 4.2 Kết xác định DOA băng tần (độ) Băng Băng Băng Băng Băng Băng Băng Băng Băng Băng 10 Băng 11 9.5654 10.0934 9.9694 10.2815 10.3843 9.9177 10.0482 10.0652 10.0508 9.7124 10.2549 -29.7125 -30.2876 -29.7376 -30.3322 -30.001 -29.9195 -29.4940 -29.8096 -30.1135 -29.8361 -29.8824 59.8501 60.5859 58.9656 60.4346 60.1384 60.1657 60.6740 59.9616 60.0500 60.1861 59.8616 Tiếp theo, luận án tiến hành thực thi mô thuật toán môi trường nhiễu trắng có tỷ số SNR thay đổi khoảng từ −10 đến 20 mô điều kiện thay đổi số lượng mẫu tín hiệu với = 10 Các kết mô minh họa Hình 4.7 Hình 4.8 Hình 4.7 Độ xác ước lượng DOA Hình 4.8 Độ xác ước lượng DOA tín hiệu băng rộng theo SNR tín hiệu băng rộng theo số lương mẫu tín hiệu 24 KẾT LUẬN Đóng góp khoa học luận án Nội dung luận án tập trung nghiên cứu phương pháp xác định hướng sóng tới áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương tiên tiến Các vấn đề luận án tập trung nghiên cứu độ phức tạp thuật toán, số mẫu tín hiệu thu khắc phục ảnh hưởng tính tương quan tín hiệu Luận án đạt số kết nghiên cứu sau: Đối với hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh:  Đề xuất phương pháp PLL – DOA cải tiến có khả giảm độ phức tạp tính toán từ tăng tốc độ xử lý pháp khắc phục nhược điểm nhầm lẫn vòng khóa pha có tín hiệu tương tự đến dàn anten thời điểm hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh dựa vòng khóa pha Đối với hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh:  Đề xuất áp dụng thuật toán TFBMP xác định hướng sóng tới áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng dàn ăng ten ULA dàn ăng ten UCA với mẫu tín hiệu điều kiện bị ảnh hưởng nhiễu, có khả xác định hướng sóng tới tín hiệu tương quan tín hiệu băng rộng  Đề xuất phương pháp xác định đồng thời thông số DOA TOA tín hiệu thu dàn ăng ten ULA dựa thuật toán TFBMP Các kết nghiên cứu đạt luận án góp phần vào nhóm giải pháp kỹ thuật để cải thiện hiệu hoạt động hệ thống vô tuyến tìm phương tiên tiến Điều mở nhiều ứng dụng đời sống kinh tế xã hội, an ninh quốc phòng Hướng phát triển luận án Hiện nay, kết đạt luận án mô máy tính Để tiếp tục nghiên cứu, phát triển kết đạt được, mở rộng phạm vi nghiên cứu ứng dụng thực tế, thời gian tới hướng nghiên cứu Luận án đề xuất sau: - Nghiên cứu phát triển giải pháp xác định số lượng tín hiệu tới dàn ăng ten - Nghiên cứu ảnh hưởng phương pháp xử lý trường hợp bị ảnh hưởng nhiễu màu - Nghiên cứu phương pháp khắc phục vấn đề tồn tượng Jitter… hệ thống máy thu dựa công nghệ vô tuyến điều khiển phần mềm - Triển khai chế tạo thử nghiệm thiết bị để đo thử, áp dụng giải pháp xác định hướng sóng tới tín hiệu đề xuất [...]... hai góc 400 và 500 CHƯƠNG 3 XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA CÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP SỬ DỤNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG ĐA KÊNH 3.1 Giới thiệu chung về hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh Hệ thống vô tuyến tìm phương có kiến trúc đa kênh là hệ thống sử dụng dàn anten nhiều phần tử trong đó tín hiệu đến từng phần tử của dàn được thu và xử lý bởi... thuật toán TFBMP trong xác định hướng sóng tới áp dụng cho các hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng dàn ăng ten ULA và dàn ăng ten UCA với chỉ một mẫu tín hiệu trong điều kiện bị ảnh hưởng nhiễu, có khả năng xác định được hướng sóng tới của các tín hiệu tương quan và tín hiệu băng rộng  Đề xuất phương pháp xác định đồng thời thông số DOA và TOA của các tín hiệu thu được bởi dàn ăng ten ULA... để hệ thống xác định được thông tin về hướng tới của tín hiệu sóng cao tần Sơ đồ khối của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh được mô tả như Hình 3.1 Các thuật toán được ứng dụng với hệ thống loại này bao gồm các thuật toán có độ phân giải cao như MUSIC, ESPRIT, Correlative Vector (CV) Ưu điểm của hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh đó là độ chính xác cao, thuật toán xử lý đơn giản Tuy nhiên hệ thống. .. với hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh:  Đề xuất phương pháp PLL – DOA cải tiến có khả năng giảm độ phức tạp tính toán từ đó tăng tốc độ xử lý cũng như pháp khắc phục nhược điểm nhầm lẫn của vòng khóa pha khi có 2 tín hiệu tương tự nhau đến dàn anten cùng một thời điểm trong hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh dựa trên vòng khóa pha 2 Đối với hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh:  Đề xuất áp dụng. .. phức tạp, chi phí cao về giá thành cũng như công suất tiêu thụ, nhiều trường hợp trong thực tế là không khả thi đối với các thiết bị di động Phần tiếp theo của luận án sẽ đi sâu phân tích chi tiết một số thuật toán ước lượng hướng sóng tới ứng dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh 3.2 Một số thuật toán điển hình áp dụng cho hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh 3.2.1 Thuật toán Véc tơ tương quan... theo số lương mẫu tín hiệu 24 KẾT LUẬN Đóng góp khoa học của luận án Nội dung của luận án đã tập trung nghiên cứu các phương pháp xác định hướng sóng tới áp dụng cho các hệ thống vô tuyến tìm phương tiên tiến Các vấn đề được luận án tập trung nghiên cứu là độ phức tạp của thuật toán, số mẫu tín hiệu thu và khắc phục ảnh hưởng của tính tương quan giữa các tín hiệu Luận án đã đạt được một số kết quả nghiên... đường với số lượng hiệu khi SNR thay đổi mẫu tín hiệu thay đổi 4.2 Xác định hướng sóng tới của các tín hiệu băng rộng 4.2.1 Phân tích lý thuyết Giả sử hệ thống vô tuyến tìm phương sử dụng dàn anten ULA gồm phần tử để thu tín hiệu băng rộng đến từ hướng khác nhau Tín hiệu băng rộng nhận được ở phần tử anten thứ có thể được biểu diễn như sau ( )=∑ Trong đó ( − )+ là tín hiệu thứ đến dàn anten, ( ) (4.26)... tới sử dụng thuật toán TFBMP 3.4.1 Xác định hướng sóng tới của tín hiệu thu được từ dàn anten ULA 3.4.1.1 Phân tích lý thuyết Giả sử hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng dàn anten đồng dạng tuyến tính ULA với phần tử Như phân tích ở chương 1, dạng rút gọn của mô hình tín hiệu thu tại phần tử anten thứ sẽ có dạng rời rạc theo thời gian như biểu diễn trong phương trình (1.35), phương trình này được... phân giải cao khác như MUSIC thì thuật toán này có độ phân giải kém hơn trong trường hợp tín hiệu không tương quan 3.4.2 Xác định hướng sóng tới của tín hiệu thu được từ dàn anten UCA 3.4.2.1 Phân tích lý thuyết Giả sử hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh sử dụng dàn anten UCA với phần tử để thu tín hiệu đến trong môi trường nhiễu trắng, tín hiệu đầu ra rời rạc theo thời gian ở phần tử anten thứ được... 3.30 đã cho thấy trong trường hợp sử dụng dàn anten UCA, thuật toán TFBMP tốt hơn so với thuật toán MP Hình 3.26 So sánh độ chính xác giữa TFBMP Hình 3.30 So sánh độ chính xác giữa TFBMP với MP trong trường hợp các tín hiệu không với MP trong trường hợp các tín hiệu không tương quan tới dàn anten UCA tương quan tới dàn anten UCA Trong mô phỏng cuối cùng, luận án đánh giá độ phân giải của thuật toán trong ... đường ước lượng hướng sóng tới tín hiệu băng rộng thu dàn anten ULA CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG 1.1 Giới thiệu chung hệ thống vô tuyến tìm phương Các hệ thống vô tuyến tìm phương. .. lượng hướng tới hai tín hiệu hai góc 400 500 CHƯƠNG XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA CÁC TÍN HIỆU BĂNG HẸP SỬ DỤNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TÌM PHƯƠNG ĐA KÊNH 3.1 Giới thiệu chung hệ thống vô tuyến tìm phương. .. đến dàn anten thời điểm hệ thống vô tuyến tìm phương đơn kênh dựa vòng khóa pha Đối với hệ thống vô tuyến tìm phương đa kênh:  Đề xuất áp dụng thuật toán TFBMP xác định hướng sóng tới áp dụng cho