KỸ THUẬT tạo búp SÓNG số CHO ANTEN MẢNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ  Nguyễn Hoàng Hiệp KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG SỐ CHO ANTEN MẢNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Chuyên ngành: Vô Tuyến Cán hƣớng dẫn: ThS LÊ QUANG THẢO Hà Nội – 2011 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy ThS Lê Quang Thảo bỏ công sức thời gian trực tiếp hƣớng dẫn em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp Thầy bảo tận tình truyền cho em lòng nhiệt huyết công việc từ ngày nhận đề tài Em xin gửi lời cảm ơn thầy cô Bộ môn Vật Lý Vô Tuyến trang bị cho em kiến thức nhƣ chuyên môn trình học tập Để có đƣợc kết nhƣ ngày hôm hoàn toàn nhờ vào hƣớng dẫn tận tình thầy cô Cuối em xin bày tỏ lòng biết ơn với cha mẹ, anh chị bạn bè bên em nguồn động viên giúp em hoàn thành khóa luận Một lần em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 25 tháng năm 2011 Sinh viên Nguyễn Hoàng Hiệp MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ANTEN 1.1 Giới thiệu Anten 1.2 Anten mảng 1.2.1 Giới thiệu anten mảng 1.2.2 Các loại Anten mảng 1.3 Khái niệm búp sóng 1.4 Kỹ thuật tạo búp sóng 1.4.1 Khái niệm tạo búp sóng 1.4.2 Các kỹ thuật tạo búp sóng 1.4.2.1 Bộ tạo búp sóng cổ điển 1.4.2.2 Bộ tạo búp sóng băng hẹp 1.4.2.3 Bộ tạo búp sóng quét búp không 1.4.2.4 Bộ tạo búp sóng tối ƣu 1.4.3 Nhận xét 10 CHƢƠNG KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG SỐ 12 2.1 Giới thiệu 12 2.2 Bộ Kỹ tạo búp sóng số tổng quát 13 2.3 Bộ tạo búp sóng số cho máy thu 14 2.3.1 Bộ chuyển dịch tần số vô tuyến – RF Translator 16 2.3.2 Bộ đổi giảm số: Digital Down-Converter 16 2.3.3 Bộ nhân phức - complex multiplier 16 2.4 Nhận xét 17 2.5 Ƣu, nhƣợc điểm ứng dụng kỹ thuật tạo búp sóng số 19 2.5.1 Ƣu điểm 19 2.5.2 Nhƣợc điểm 20 2.5.3 Ứng dụng 20 2.6 Thuật toán tạo búp sóng số 21 2.6.1 Thuật toán điều khiển búp sóng 21 Hình 2.7 Anten mảng 21 2.6.2 Thuật toán điều khiển búp phụ búp không 24 2.6.2.1 Thuật toán Chebyshev 24 2.6.2.2 Thuật toán SMI(Sample Matrix Inversion) 25 2.6.2.3 Thuật toán kết hợp 26 CHƢƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 28 3.1 Mô thuật toán điều khiển búp sóng 28 3.2 Nhận xét 30 KẾT LUẬN 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 PHỤ LỤC 35 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Tiếng anh Tiếng việt A/D Analog / Digital Tƣơng tự/ Số ADC Analog Digtal Converter Bộ chuyển đổi tƣơng tự - số CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã DBF Digital Beamforming Tạo búp song số DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số FPGA Field Programmable Gate Array Mảng cổng lập trình đƣợc dạng trƣờng IEEE Institude of Electrical and Viện kỹ nghệ điện điện tử Electronics Engineers IF Intermidiate Frequency Tần số trung tần RF Radio Frequency Tần số vô tuyến (tần số cao) SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu tạp SDMA Space Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo Không gian DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình Trang Hình 1.1 Mô kỹ thuật tạo búp sóng băng hẹp Hình 2.1 Bộ tạo búp sóng số tổng quát Hình 2.2 Bộ tạo búp sóng số cho máy thu 13 14 Hình 2.3 Bộ tạo búp sóng tƣơng tự Hình 2.4 Bộ tạo búp sóng số 17 17 Hình 2.5 Kỹ thuật tạo búp sóng số theo khoảng cách phần tử Hình 2.6 Kỹ thuật tạo búp sóng số theo khoảng cách búp 18 19 Hình 2.7 Anten mảng 21 Hình 2.8 Búp sóng vuông góc với dãy Anten Hình 2.9 Quay búp sóng Anten 30° 23 23 Hình 2.10 Thuật toán Chebyshev cho phép đặt búp phụ 24 mức cho trƣớc Hình 2.11 Thuật toán SMI cho phép đặt điểm không vị trí cho trƣớc 26 hình 2.12 So sánh thuật toán SMI thuật toán kết hợp 27 hình 3.1 Đồ thị xạ với búp sóng hƣớng theo góc 20° 28 Hình 3.2 Đồ thị xạ thay đổi pha tín hiệu sang trái 10° 29 Hình 3.3 Đồ thị xạ thay đổi khoảng cách phần tử Hình 3.4 Đồ thị xạ thay đổi biên độ tín hiệu 29 30 Hình 4.1 Bộ thu cầu phƣơng SDMA 32 MỞ ĐẦU Anten mảng ngày trở nên phổ biến lĩnh vực thông tin với phát triển kỹ thuật tạo búp sóng số (Digital Beamforming – DBF) Vì sử dụng kỹ thuật tạo búp sóng số dễ dàng thay đổi pha trọng số phần tử Anten mảng hay thay đổi hƣớng búp sóng Chúng ta thay đổi đồ thị xạ Anten cách đơn giản thay đổi tham số Do Anten mảng đƣợc ứng dụng rộng rãi thiết bị thông tin liên lạc Với kỹ thuật tạo búp sóng số, hoạt động dịch pha, thay đổi biên độ cho phần tử mảng phép lấy tổng cho máy thu, máy phát số Vì giúp cho Anten mảng linh hoạt thay đổi đồ thị Anten mà không cần thay đổi hệ thống Anten Xuất phát từ vấn đề trên, lựa chọn đề tài nghiên cứu “Kỹ thuật tạo búp sóng số cho Anten mảng” Mục tiêu khóa luận nghiên cứu lý thuyết tạo búp sóng số cho Anten mảng đáp ứng đƣợc yêu cầu thay thông số lối vào số búp sóng lối thay đổi Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu khóa luận tập trung giải vấn đề sau:  Nghiên cứu thuật toán định dạng búp sóng số Anten mảng  Đánh giá hiệu việc sử dụng kỹ thuật số trình tạo búp sóng so với kỹ thuật tƣơng tự nhƣ kỹ thuật khác  Nghiên cứu kỹ thuật nâng cao tiêu cho hệ thống Anten mảng nhƣ khả ứng dụng cao kỹ thuật tạo búp sóng số lĩnh vực thông tin ngày Phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc thực nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phần mềm matlab Nội dung khóa luận chia làm chƣơng: Chƣơng Tổng quan Anten: Giới thiệu tổng quan Anten, khái niệm búp sóng, kỹ thuật tạo búp sóng nói chung Chƣơng Kỹ thuật tạo búp sóng số thuật toán tạo búp sóng số: Giới thiệu kỹ thuật tạo búp sóng số, so sánh với kỹ thuật tạo búp sóng tƣơng tự, ƣu nhƣợc điểm kỹ thuật tạo búp sóng số thuật toán tạo búp sóng số Chƣơng Kết mô phỏng: Mô thuật toán sử dụng phần mềm matlab Do giới hạn thời gian, phạm vi khóa luận tốt nghiệp nên khóa luận vào nghiên cứu phần nhỏ phạm vi rộng lớn lĩnh vực công nghệ Anten nói chung Anten mảng nói riêng Mặc dù có nhiều cố gắng nhƣng chắn khóa luận không tránh khỏi thiếu sót Rất mong thầy cô bạn đóng góp ý kiến để khóa luận đƣợc hoàn thiện CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ANTEN 1.1 Giới thiệu Anten Anten thiết bị dùng để xạ thu nhận lƣợng điện từ Đó thiết bị dùng để truyền lƣợng điện từ máy phát máy thu mà không cần phƣơng tiện truyền dẫn tập trung IEEE định nghĩa Anten “phần hệ thống truyền hay nhận đƣợc thiết kế để xạ hay nhận sóng điện từ” Nói cách khác Anten lấy tín hiệu RF(đƣợc sinh radio) xạ vào không khí hay Anten nhận sóng điện từ cho radio Nhƣ Anten phận quan trọng thiếu hệ thống vô tuyến điện Để chọn lựa đƣợc Anten đắn điều quan trọng phải hiểu đƣợc số thuộc tính mô tả Anten Chúng bao gồm dạng xạ, hƣớng tính, độ lợi, trở kháng đầu vào, phân cực độ rộng băng tần Anten Hƣớng tính Anten mô tả cƣờng độ xạ theo hƣớng xác định tƣơng ứng với cƣờng độ xạ trung bình Độ lợi diễn tả khái niệm nhƣ hƣớng tính nhƣng bao gồm mát (về công suất) thân Anten Dạng xạ Anten mô tả khác góc xạ khoảng cách cố định từ Anten Công suất xạ thật Anten công suất xạ hiệu dụng đƣợc tính cách lấy độ lợi Anten ( tính theo dBd ) nhân với công suất mà máy phát cung cấp cho Anten Sự phân cực: Sóng điện từ đƣợc phát Anten tạo dạng khác ảnh hƣởng tới quảng bá Các hình dạng tùy thuộc vào phân cực Anten, phân cực tuyến tính hay phân cực vòng Trở kháng tỷ số điện áp dòng điện chạy qua Anten Độ rộng băng tần vùng tần số mà Anten cung cấp hiệu chấp nhận đƣợc Các thuộc tính cuả Anten liên quan mật thiết với phụ thuộc lẫn Vì chọn lựa Anten cần xác định đƣợc thuộc tính quan trọng cho việc nghiên cứu 1.2 Anten mảng 1.2.1 Giới thiệu anten mảng Trong nhiều ứng dụng, cần thiết phải thiết kế nhiều Anten với đặc tính chi phối (độ lợi cao) để đáp ứng yêu cầu cho truyền thông khoảng cách xa.Thông thƣờng, điều đƣợc hoàn thành cách tăng đặc tính điện anten Cách hiệu khác ghép thành phần xạ lại với hình thể cấu hình điện, không cần thiết phải tăng kích thƣớc thành phần xạ riêng Nhiều thành phần xạ đƣợc định nghĩa Anten mảng Nhƣ Anten mảng tập hợp gồm nhiều Anten thành phần đƣợc bố trí vị trí khác không gian mảng Các Anten thành phần đƣợc xếp theo cấu trúc hình học Tuỳ theo cách xếp mà mảng mảng đƣờng ,mảng tròn hay mảng phẳng Anten mảng một, hai, ba chiều Dạng Anten mảng đơn giản Anten mảng tuyến tính Trong đó, phần tử Anten đƣợc xếp dọc theo đƣờng thẳng Nếu khoảng cách phần tử mảng đƣờng thẳng mảng đƣợc gọi mảng Anten dãy 2.6.2 Thuật toán điều khiển búp phụ búp không 2.6.2.1 Thuật toán Chebyshev Mục đích: nhằm trì mức búp phụ đồ thị xạ dƣới mức cho trƣớc Điều cho phép nguồn nhiễu đến từ hƣớng không gian hƣớng búp thành phần không mong muốn bị thiết lập búp phụ mức thấp Hình 2.10 Thuật toán Chebyshev cho phép đặt búp phụ mức cho trƣớc Hình vẽ thể mảng 8x8 phần tử, phân cực tròn trái với mức búp phụ áp đặt 20dB, búp sóng đƣợc hƣớng theo (0,0) Thuật toán Chebyshev có ý nghĩa việc chống nhiễu Anten phát trình phát, giản đồ hƣớng đƣợc sử dụng đơn giản búp sóng đƣợc hƣớng phía máy thu Trong trƣờng hợp cần biết trƣớc góc mở búp sóng máy thu phải lƣu ý đến môi trƣờng xung quanh máy thu Đôi xảy việc ta muốn hạn chế tối thiểu tác động máy phát lên máy thu khác Đây tác động công suất xạ búp sóng phụ mà nhiễu không mong muốn hạn chế đƣợc trƣờng hợp cần áp dụng phƣơng pháp làm giảm số búp sóng phụ, tăng độ suy giảm búp sóng phụ 24 Ta thấy rõ đặc điểm lọc Chebyshev mức búp sóng phụ đồng 2.6.2.2 Thuật toán SMI(Sample Matrix Inversion) Thuật toán SMI thuật toán biến đổi ngƣợc ma trận lấy mẫu Nội dung: Thuật toán dánh giá trọng số mảng việc thay ma trận tƣơng quan mạng R đánh giá Ma trận R có dạng: R(k) = K K−1 H k=0 x(k)x (k) Trong đó:  R(k) biểu thị đánh giá k thời điểm tức thời  x(k) biểu thị mẫu tín hiệu mạng thời điểm tức thời thứ k Sự thiết lập R đƣợc cập nhật có mẫu R(k+1) = kR(k) + x(k+1)xH (k+1) k+1 Sự thiết lập trọng số w(k+1) thời điểm tức thời k+1 đƣợc thực Sử dụng lý thuyết biến đổi ngƣợc ma trận ta có: R−1 (k) = R−1 (k − 1) − R−1 (k−1)x(k)xH (k)R−1 (k−1) + xH (k)R−1 (k−1)x(k) Với: R−1 (0) = ε0 I ε0 số dƣơng nhỏ Khi số mẫu tăng, cập nhật ma trận tiệm cận tới nhƣ trọng số đƣợc thiết lập tiệm cận tới giá trị tối ƣu 25 Tức khi: n→∞ R(k)→R Thì w(k)→w tối ƣu Mục đích: Cho phép đặt búp không vị trí định đồ thị xạ Thuật toán SMI tăng tỷ số tín hiệu tạp việc thiết lập đồ thị xạ theo hƣớng định, nhƣng trì đƣợc tham số khác Hình 2.11 Thuật toán SMI cho phép đặt điểm không vị trí cho trƣớc Đƣờng nét đứt thể đồ thị xạ Anten mảng với búp sóng quét theo hƣớng (0,0), nguồn nhiễu đến theo hƣớng (0,30) Đƣờng nét liền đồ thị xạ sau thay đổi vị trí búp không đến vị trí nhiễu (0,30) 2.6.2.3 Thuật toán kết hợp Các trọng số Chebyshev làm thay đổi dễ dàng mức búp phụ Trong thuật toán SMI hƣớng búp sóng theo hƣớng 26 mong muốn, đặt búp không đồ thị xạ theo hƣớng nguồn gây nhiễu Khi sử dụng hai phƣơng pháp cách đồng thời thu đƣợc đồ thị xạ với mức búp phụ điều khiển đƣợc vị trí búp không đặt vị trí cho trƣớc Trong thực tế ngƣời ta thƣờng kết hợp hai thuật toán việc định dạng điều khiển búp sóng Thuật toán Chebyshev làm cho độ định hƣớng thấp nhƣng lại đảm bảo mức búp phụ dƣới mức định Hình 2.12 So sánh thuật toán SMI kết hợp thuật toán SMI với thuật toán Chebyshev Hình vẽ cho thấy so sánh thuật toán SMI riêng thuât toán Chebyshev với mức búp phụ đƣợc chọn 20dB 27 CHƢƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Để minh họa cho thuật toán điều khiển búp sóng số, chƣơng khóa luận đề cập số ví dụ mô cho thuật toán điều khiển búp sóng Các ví dụ mô sử dụng phần mềm matlab 3.1 Mô thuật toán điều khiển búp sóng Các thông số mô Anten mảng: Tần số sóng mang: f = 2,7.109 (Hz) Số phần tử Anten mảng: N = 10 Khoảng cách phần tử: d = 0,0556 (m) Hình 3.1 Đồ thị xạ với búp sóng hƣớng theo góc 20° 28 Hình 3.2 Đồ thị xạ thay đổi pha tín hiệu sang trái 10° Hình 3.3 Đồ thị xạ thay đổi khoảng cách phần tử 29 Hình 3.4 Đồ thị xạ thay đổi biên độ tín hiệu 3.2 Nhận xét Trong khoảng từ −90o đến 90o góc nhọn đồ thị xạ có giá trị nhỏ vùng 0o sau biên tăng nhanh Khi thay đổi pha tín hiệu ta thấy độ rộng búp sóng giữ nguyên, có hƣớng búp sóng thay đổi Nhƣ cách thay đổi pha tín hiệu ta quét búp đến hƣớng mà ta mong muốn Khi thay đổi khoảng cách phần tử độ rộng búp sóng thay đổi theo Búp sóng giữ nguyên hƣớng cũ, nhƣng hƣớng búp phụ lại thay đổi Càng hai biên thay đổi rõ rệt Khi thay đổi biên độ tín hiệu làm cho độ rộng búp sóng thay đổi Tuy nhiên lại không làm cho búp búp phụ thay đổi hƣớng Ta thấy công suất xạ thay đổi nhiều 30 Đứng quan điểm ứng dụng thực tiễn thƣờng chấp nhận ứng π dụng khoảng ± , khoảng giản đồ hƣớng hầu nhƣ giữ nguyên đƣợc hình dạng, thay đổi không nhiều nhƣ hai bên góc phƣơng vị Còn trƣờng hợp cần quét toàn khoảng 2𝜋 sử dụng dãy anten thiết kế theo kiểu phức tạp Đây vấn đề phát triển khóa luận 31 KẾT LUẬN Khóa luận đề cập đến vấn đề anten mảng, kỹ thuật tạo búp sóng tƣơng tự, tạo búp sóng số, thuật toán ƣu nhƣợc điểm kỹ thuật tạo búp sóng số Ứng dụng phát triển kỹ thuật thuật toán tạo điều khiển búp sóng cho hệ anten mảng đƣợc nghiên cứu rộng rãi lĩnh vực vô tuyến Các thuật toán đƣợc ứng dụng để tạo búp sóng với thuộc tính định trƣớc cho anten phục vụ hoạt động nghiên cứu ứng dụng thuộc lĩnh vực kỹ thuật anten-truyền sóng siêu cao tần Tuy nhiên khuôn khổ giới hạn khóa luận, số vấn đề bổ sung hoàn thiện tiếp tục nghiên cứu nhƣ: Sự phát triển kỹ thuật DBF, thuật toán kỹ thuật để tạo búp sóng số nhƣ việc nghiên cứu mở rộng góc phƣơng vị vấn đề mà khóa luận chƣa khai thác đƣợc Ví dụ phƣơng pháp định dạng búp sóng số SDMA Hình 4.1 Bộ thu cầu phƣơng SDMA 32 Phƣơng pháp đƣợc dùng cho anten mảng N phần tử Có thể anten mảng tuyến tính nhƣng tốt mảng ngẫu nhiên chiều việc lấy pha cho phần tử ứng với góc đến Tính lạ phƣơng pháp có đƣợc chất tín hiệu 𝛽𝑛 (𝑡), nhớ tín hiệu mảng đơn nhất, độ tƣơng quan dựa hƣớng tín hiệu Bộ thu SDMA không xử lý tín hiệu đến phép dịch pha lái búp mà tìm hƣớng đến tƣơng quan độ lớn 𝑹𝒌 đƣợc dùng nhƣ biệt số để xác định xem liệu tín hiệu có diện góc mong muốn θk hay không Nếu biệt số vƣợt ngƣỡng định trƣớc, tín hiệu đƣợc cho diện pha đƣợc xác định Việc ƣớc lƣợng phép dịch pha làm tiết kiệm kinh phí… Vì kỹ thuật tạo búp sóng số cho anten mảng tiếp tục đề tài đƣợc tìm hiểu phát triển tƣơng lai 33 ` TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: Phan Anh, (2003), Lý thuyết kỹ thuật anten, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Hoàng Đình Thuyên, (1998), Anten, Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự Trƣờng Vũ Bằng Giang, Nghiên cứu ứng dụng số phƣơng pháp điều khiển định dạng búp sóng cho anten thông minh, Tạp chí Bƣu viễn thông & CNTT, Tập V-1, Số 1, tháng 04/2009 Tiếng Anh: John Litva and Titus Kwok-Yeung Lo, Digital Beamforming in Wireless Communications, Artech House, Norwood, MA, 1996 Warren L Stutzman and gary A Thiele, Antenna Theory and Design, John Wiley & Sons, New York, 1981 Frank Gross, Smart Antennas for Wireless Communications with Matlab, 2005 Sergey N Makarov, Antenna and EM Modeling with Matlab, 2002 Hubregt J Visser, Array and Phased Array Antenna basic, 2005 34 PHỤ LỤC CÁC CHƢƠNG TRÌNH VIẾT BẰNG MATLAB Phụ lục Chƣơng trình mô thuật toán điều khiển búp sóng chính: %% %%%%%%%%%%%%%%Búp sóng hƣớng theo góc 20° clear all close all j=sqrt(-1); c=3e08; % speed of light fc=2.7e9; % carrier frequency lambda= c/fc; % wavelength d=0.5*lambda; % element spacing k1=2*pi/lambda; % propagation constant for signal at original frequency N=10; % number of elements theta0 = 20; %inital steer angle in degrees, measured from the array axis theta=-pi/2:0.01:pi/2; % scan from to pi theta0= theta0*pi/180; % to convert from degrees to radians sum1=0; for n=0:N-1 value = exp(j*(n*k1*d*(sin(theta)-sin(theta0)))); sum1 = sum1 + value; end AF1=sum1/max(sum1); %normalised AF figure(1) plot((theta*180/pi),20*log10(AF1),'b');grid on; axis([-90 90 -80 1]) ylabel('Beam-pattern (dB)') xlabel('\theta (degrees)') title('Array Factor : Frequency =2.7e9; 10 element; d=0.5\lambda') %% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%Thay đổi pha tín hiệu: clear all close all j=sqrt(-1); c=3e08; % speed of light 35 fc=2.7e9; % carrier frequency lambda= c/fc; % wavelength d=0.5*lambda; % element spacing k1=2*pi/lambda; % propagation constant for signal at original frequency N=10; % number of elements theta0 = 20; %inital steer angle in degrees, measured from the array axis theta1 = 10; %inital steer angle in degrees, measured from the array axis theta=-pi/2:0.01:pi/2; % scan from to pi theta0= theta0*pi/180; % to convert from degrees to radians theta1= theta1*pi/180; % to convert from degrees to radians sum1=0; sum2=0; for n=0:N-1 value = exp(j*(n*k1*d*(sin(theta)-sin(theta0)))); value1 = exp(j*(n*k1*d*(sin(theta)-sin(theta1)))); sum1 = sum1 + value; sum2 = sum2 + value1; end AF1=sum1/max(sum1); %normalised AF AF2=sum2/max(sum2); %normalised AF plot((theta*180/pi),20*log10(AF1),'b');grid on;hold on; plot((theta*180/pi),20*log10(AF2),'r'); axis([-90 90 -80 1]) ylabel('Beam-pattern (dB)') xlabel('\theta (degrees)') title('Array Factor : Frequency =2.7e9; 10 element; d=0.5\lambda') legend('ban dau','dich pha') %% %%%%%%%%%%%%%%Thay đổi khoảng cách phần tử: clear all close all j=sqrt(-1); c=3e08; % speed of light fc=2.7e9; % carrier frequency lambda= c/fc; % wavelength d=0.5*lambda; % element spacing d1=0.7*lambda; % element spacing k1=2*pi/lambda; % propagation constant for signal at original frequency N=10; % number of elements 36 theta0 = 20; %inital steer angle in degrees, measured from the array axis theta=-pi/2:0.01:pi/2; % scan from to pi theta0= theta0*pi/180; % to convert from degrees to radians sum1=0; sum2=0; for n=0:N-1 value = exp(j*(n*k1*d*(sin(theta)-sin(theta0)))); value1 = exp(j*(n*k1*d1*(sin(theta)-sin(theta0)))); sum1 = sum1 + value; sum2 = sum2 + value1; end AF1=sum1/max(sum1); %normalised AF AF2=sum2/max(sum2); %normalised AF plot((theta*180/pi),20*log10(AF1),'b');grid on;hold on; plot((theta*180/pi),20*log10(AF2),'r'); axis([-90 90 -80 1]) ylabel('Beam-pattern (dB)') xlabel('\theta (degrees)') title('Array Factor : Frequency =2.7e9; 10 element') legend('d=0.5\lambda','d=0.7\lambda') %% %%%%%%%%%%%%%%%%%%Thay đổi biên độ tín hiệu clear all close all j=sqrt(-1); c=3e08; % speed of light fc=2.7e9; % carrier frequency lambda= c/fc; % wavelength d=0.5*lambda; % element spacing k1=2*pi/lambda; % propagation constant for signal at original frequency N=10; % number of elements theta0 = 20; %inital steer angle in degrees, measured from the array axis theta=-pi/2:0.01:pi/2; % scan from to pi theta0= theta0*pi/180; % to convert from degrees to radians sum1=0; sum2=0; for n=0:N-1 value = exp(j*(n*k1*d*(sin(theta)-sin(theta0)))); value1 = exp(j*(n*k1*d*(sin(theta)-sin(theta0))))+0.1; 37 sum1 = sum1 + value; sum2 = sum2 + value1; end AF1=sum1/max(sum1); %normalised AF AF2=sum2/max(sum2); %normalised AF plot((theta*180/pi),20*log10(AF1),'b');grid on;hold on; plot((theta*180/pi),20*log10(AF2),'r'); axis([-90 90 -80 1]) ylabel('Beam-pattern (dB)') xlabel('\theta (degrees)') title('Array Factor : Frequency =2.7e9; 10 element;d=0.5\lambda') legend('ban dau','thay doi bien do') 38 [...]... bằng số dựa trên bộ xử lý số DSP hay FPGA…Vì vậy kỹ thuật thay đổi pha của tín hiệu bằng số gọi là kỹ thuật tạo búp sóng số - digital beamorming (DBF) Kỹ thuật tạo búp sóng là kỹ thuật sử dụng một dãy Anten để hƣớng búp sóng của Anten phát về một hƣớng nhất định (hƣớng của thiết bị thu hoặc mobile ).khoảng cách giữa các Anten trong dãy là nhỏ hơn ½ bƣớc sóng Kỹ thuật này còn đƣợc gọi là kỹ thuật Anten. .. điều khiển nhiều búp sóng để hình thành nên một mảng các búp sóng trực giao Tiếp đó lối ra của mỗi búp có thể đƣợc nhân với các trọng số và kết quả là sinh ra một búp sóng mong muốn Nhƣ vậy kỹ thuật tạo búp sóng số theo khoảng cách búp có thể tạo ra nhiều búp sóng hơn 2.5 Ƣu, nhƣợc điểm và ứng dụng kỹ thuật tạo búp sóng số 2.5.1 Ƣu điểm Thuận lợi chính của việc định dạng búp sóng số là việc dịch pha... ở dạng nhiều luồng số Tất cả thông tin này có giá trị trong việc điều khiển búp sóng  Ngoài ra còn có kỹ thuật tạo búp sóng số theo khoảng cách phần tử, hay theo khoảng cách búp Hình 2.5 Kỹ thuật tạo búp sóng số theo khoảng cách phần tử 18 Hình 2.6 Kỹ thuật tạo búp sóng số theo khoảng cách búp Trƣớc khi đặt các trọng số tới các phần tử của mảng, các tín hiệu từ các phần tử của mảng có thể đƣợc xử... (SPMA) nhằm tăng độ lợi Anten phát và giảm can nhiễu Trƣớc khi nghiên cứu vào kỹ thuật tạo búp sóng số, ta cần quan tâm đến các kỹ thuật tạo búp sóng đơn giản 7 1.4.2 Các kỹ thuật tạo búp sóng 1.4.2.1 Bộ tạo búp sóng cổ điển Trong tạo búp cổ điển, trọng số tạo búp đƣợc chỉnh tƣơng đƣơng với vectơ đáp ƣ́ng mảng của tín hiê ̣u mong muố n Mă ̣c dù bô ̣ ta ̣o búp cổ điể n là lƣ̣a cho ̣n tố i ƣu để... trọng số phức w Thay đổi trọng số phức sẽ làm thay đổi biên độ và pha của tín hiệu và giúp thay đổi đồ thị bức xạ của Anten theo yêu cầu 2.4 Nhận xét Hình 2.3 Bộ tạo búp sóng tƣơng tự 17 Hình 2.4 Bộ tạo búp sóng số  Kỹ thuật tạo búp sóng tƣơng tự và số về nguyên lý là đều dịch pha và biên độ của tín hiệu đến từ mỗi phần tử Anten Tuy nhiên kỹ thuật tạo búp sóng tƣơng tự chỉ là tạo ra tổng trọng số của... của mảng 13 2.3 Bộ tạo búp sóng số cho máy thu Hình 2.2 Bộ tạo búp sóng số cho máy thu Trong máy thu tạo búp sóng số gồm có:  Bộ chuyển dịch tần số cao - RF Translator  Bộ chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự /số - A/D (Analog/Digital)  Bộ đổi giảm số - Digital Down-Converter  Bộ nhân phức - complex multiplier  Phép lấy tổng 14 Nguyên lý của bộ tạo búp sóng số: Đầu tiên tín hiệu thu đƣợc từ các phần tử Anten. .. khai trong thực tế Anten mảng nói riêng và Anten thông minh nói chung có khả năng tạo và điều khiển búp sóng bằng phƣơng pháp số để tạo ra các đặc trƣng bức xạ theo một số yêu cầu định trƣớc Và đây là một đặc tính quan trọng của anten mảng 12 2.2 Bộ Kỹ tạo búp sóng số tổng quát Hệ DBF tổng quát: Hình 2.1 Bộ tạo búp sóng số tổng quát DBF là sự kết hợp giữa công nghệ Anten và công nghệ số Một hệ DBF tổng... khiển búp sóng số, trong chƣơng này khóa luận sẽ đề cập một số ví dụ mô phỏng cho thuật toán điều khiển búp sóng chính Các ví dụ mô phỏng sử dụng phần mềm matlab 3.1 Mô phỏng thuật toán điều khiển một búp sóng chính Các thông số mô phỏng Anten mảng: Tần số sóng mang: f = 2,7.109 (Hz) Số phần tử của Anten mảng: N = 10 Khoảng cách giữa các phần tử: d = 0,0556 (m) Hình 3.1 Đồ thị bức xạ với búp sóng chính... lớn, ngoài âm thanh sẽ là hình ảnh, video, dữ liệu, tập tin…Vì vậy nếu chỉ dùng anten mảng để tạo búp sóng sẽ chƣa đủ đáp ứng nhu cầu về dung lƣợng đƣờng truyền bởi khi tạo búp sóng dùng nhiều anten nhƣng chỉ truyền đi có một luồng dữ liệu mà thôi Đó là hạn chế của kỹ thuật tạo búp sóng 11 CHƢƠNG 2 KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG SỐ 2.1 Giới thiệu Các hệ thống truyền thông vệ tinh băng rộng mở ra khả năng liên... chọn lựa búp rộng hay hẹp sẽ quyết định hình dạng vùng phủ sóng mong muốn Búp sóng càng hẹp thì tăng ích càng cao 1.4 Kỹ thuật tạo búp sóng 1.4.1 Khái niệm tạo búp sóng Theo công thức tín hiệu lối ra của Anten mảng: S= 𝐴 𝑒 𝑖𝜔 𝑒 𝑖𝜑 𝑘 6 Ta thấy s 𝜖 𝑒 𝑖𝜑 𝑘 Nếu ta thay đổi pha của tín hiệu( tức thay đổi 𝜑𝑘 ) thì đồ thị bức xạ của Anten sẽ có búp sóng thay đổi Phƣơng pháp làm thay đổi búp sóng của Anten gọi ... quan Anten: Giới thiệu tổng quan Anten, khái niệm búp sóng, kỹ thuật tạo búp sóng nói chung Chƣơng Kỹ thuật tạo búp sóng số thuật toán tạo búp sóng số: Giới thiệu kỹ thuật tạo búp sóng số, so... cứu vào kỹ thuật tạo búp sóng số, ta cần quan tâm đến kỹ thuật tạo búp sóng đơn giản 1.4.2 Các kỹ thuật tạo búp sóng 1.4.2.1 Bộ tạo búp sóng cổ điển Trong tạo búp cổ điển, trọng số tạo búp đƣợc... đổi số dựa xử lý số DSP hay FPGA…Vì kỹ thuật thay đổi pha tín hiệu số gọi kỹ thuật tạo búp sóng số - digital beamorming (DBF) Kỹ thuật tạo búp sóng kỹ thuật sử dụng dãy Anten để hƣớng búp sóng Anten