Ứng dụng thuật toán music trong định hướng sóng đến đối với hệ anten

Bài viết này nghiên cứu về ứng dụng thuật toán MUSIC trong định hướng sóng đến cho hệ anten và đề xuất xây dựng hệ anten phân bố tròn đều với khoảng cách giữa các anten λ/2. Kết quả mô phỏng cho thấy với góc tới giữa hai tín hiệu là 0,2o và tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) tối thiểu bằng 1 dB, hệ thống vẫn cho phổ tốt.

LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA ỨNG DỤNG THUẬT TỐN MUSIC TRONG ĐỊNH HƯỚNG SĨNG ĐẾN ĐỐI VỚI HỆ ANTEN APPLICATION OF MUSIC ALGORITHM FOR DIRECTION OF ARRIVEIN ANTENNA SYSTEM Tạ Thị Mai, Trần Duy Khánh, Phạm Thị Tâm Email: maidtth@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 01/3/2017 Ngày nhận sửa sau phản biện: 22/8/2017 Ngày chấp nhận đăng: 26/9/2017 Tóm tắt Việt Nam có diện tích biển chiếm 70% diện tích nước Mỗi năm ngư dân đánh bắt thủy hải sản biển phải đối diện với nhiều thiên tai Để giảm thiểu thiệt hại, vấn đề xác định xác hướng tín hiệu cấp cứu cảnh báo thiên tai, tai nạn giúp kịp thời ứng cứu biển toán cấp thiết Bài báo nghiên cứu ứng dụng thuật toán MUSIC định hướng sóng đến cho hệ anten đề xuất xây dựng hệ anten phân bố tròn với khoảng cách anten λ/2 Kết o mô cho thấy với góc tới hai tín hiệu 0,2 tỉ số tín hiệu tạp âm (SNR) tối thiểu dB, hệ thống cho phổ tốt Từ kết này, hệ thống nhanh chóng xác định xác hướng tín hiệu cấp cứu dễ dàng ứng cứu Từ khóa: Tín hiệu đa đường; tín hiệu đến; góc tín hiệu đến; mảng anten xếp theo hình tròn; mảng anten xếp theo đường thẳng Abstract Vietnam’s sea area makes up 70% of the country Every year fishermen fishing at sea face a lot of natural disasters In order to minimize damage, determining accurately direction of emergency signals in warning of natural disasters, accidents to help timely rescue at sea is an urgent question at present This article researches application of MUSIC algorithm in directing coming wave for antenna system and proposes to construct a circularly distributed antenna system with a spacing of λ/2 antennas Experimental results show that when the angle between the two signals is 0.20 and the signal-tonoise ratio (SNR) of at least is dB, the system is still giving good spectra From this result, the system will quickly determine the exact direction of the emergency signal and help rescue easily Keywords: Multiple signal classification; angle of incidence; uniform circular array; uniform linear array Thuật ngữ viết tắt: MUSIC (MUltiple Signal Classification): thuật tốn phân loại tín hiệu đa đường UCA (Uniform Circular Array): mảng anten xếp theo đường tròn ULA (Uniform Linear Array): mảng anten xếp theo đường thẳng SNR (Signal to Noise Ratio): tỉ số tín hiệu nhiễu TFBMP (Total Forward Backward Matrix Pencil): ma trận bút chì thuận ngược 1 GIỚI GIỚI THIỆU CHUNG Công tác ứng thuyền đánh Công ứng cứu cứu kịp kịpthời thờicác cáctàu, tàu, thuyền cá công suất vừa nhỏ < 45 mã đánh cá công suấtvà vừa và(khoảng nhỏ (khoảng dướilực) 45 mã lực) tham đánh hải biển sản cách tham giakhi đánh bắtgia thủy hải bắt sản thủy vùng n 70nạn kmnhanh [1] bị gặp nạn kịp vùng bờ[1]50bịđế bờ 50biển đếncách 70km gặp chóng, nhanh chóng, thời, giảm thiểu vềyêu thời, giảm thiểukịp thiệt hại người thiệt làhại người yêu cầu cấp thiết cầu cấp thiết Các tàu thuyền chủ yếu tàu, ền yếu đượcCác trang bị thuy hệ thống vôchủ tuyến đơn giảntrang nên bị hệ thống vô tuyến đơn giản nên gặp nạn việc phát tín hiệu ứng cứu rấtgặp khónạn khăn, việc phátkhi tíngặp hiệu ứng cứutốn khó khăn, đặcứng đặc biệt bão Thu�X Hình Hai tham số hình học anten mảng [3] a H (θ ) a (θ ) a H (θ ) a (θ ) VnVnH (21) Vn = {q1 , q K q N −1 } vector riêng khơng gian nhiễu tính từ N-D giá trị riêng ma trận tự tương quan tín hiệu thu từ hệ anten Giả sử tín hiệu đến phát từ hệ thống phao cứu sinh biển k Hình 3, xác định hai tham số hình học hệ thống anten mảng (r k) Ước lượng phổ hệ: E ( r , t ) = s ( t ) e − jr T k = s ( t ) a (θ ) Với a (θ ) = e r : vector bán kính; k : hệ số sóng T − jr k (16) Trong mặt phẳng xy, k vector cho [3] k = k ( cosθ sinθ ) T (17) Hình Sơ đồ đònh hướng song tới [1] Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 23 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 3.4 Ngun lý định hướng sóng đến Tín hiệu tới thứ i thu qua phần tử anten i, đưa qua khuếch đại KDi, đưa tới nhận Ri xác định Ruu tín hiệu thu Bộ xử lý tín hiệu MUSIC tập hợp tín hiệu đến Ri đưa xác góc tới với cơng suất phổ lớn MƠ PHỎNG VÀ KIỂM NGHIỆM TRÊN HỆ THỐNG UCA 4.1 Sơ đồ mô Để mô đầy đủ hệ thống thực tế hệ thống phải gồm: - Các nguồn tín hiệu phát (các phao cứu sinh: vị trí, cơng suất) - Khơng gian truyền sóng - Hệ thống thu - Hệ thống xử lý tín hiệu thu Tuy nhiên, với phạm vi nghiên cứu báo, tác giả mô phần xử lý tín hiệu thu dùng thuật tốn MUSIC hình Bước 1, giả sử sóng tới có góc tới θi , từ phương trình (18) xác định vector lái tín hiệu aUCA, xác định ma trận lái tín hiệu A(ϕ)K Bước 2, xây dựng ma trận tín hiệu tới S(t), ma trận tín hiệu nhiễu N(t) Bước 3, tính ma trận tổng tín hiệu thu U(t) cổng thu theo phương trình (2), tín hiệu sau thu tiếp tục xử lý theo thuật toán MUSIC Nhiễu N(t) Các góc tới Ma trận lái A(ϕ)K Tín hiệu thu U(t) Thuật tốn MUSIC Vector tín hiệu tới S(t) Hình Sơ đồ hệ thống thu xử lý tín hiệu thu 4.2 Thiết lập tham số cho hệ thống Độ dài chấn tử thiết lập theo bước sóng λ Các nguồn tín hiệu đến có hệ số sóng thay đổi, góc đến nhỏ hai tín hiệu đến, SNR nhỏ hệ thống nhận biết tốt phổ tín hiệu đến 4.2.1 Tham số tín hiệu đến - Bước sóng tín hiệu λ(m) [3] - Độ dài chấn tử d - Khoảng cách chấn tử m a) Góc phân biệt tín hiệu tới UCA - Số phần tử anten N - Bán kính dàn R = (N*m)/(2*π) 4.2.2 Các tham số nguồn tín hiệu đến - Góc đến: θi - Tỉ số tín hiệu nhiễu: SNR - Hệ số sóng k = k (cos θ sin θ ) T - Số mẫu tín hiệu thu: M - Số tín hiệu đến: D (điều kiện D < N ) - Ma trận tín hiệu nhiễu kích thước [M N] KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Kết mơ góc nhỏ phân biệt sóng tới: λ = 0,5 m; N = 10; D = 2; d = λ/2; M = 1000; SNR = 35 dB b) Góc phân biệt tín hiệu tới ULA Hình Góc nhỏ phân biệt sóng tới Kết mơ góc tới bù nhau: λ = 0,5 m; N = 10; D = 8; d = λ/2; M = 1000; SNR = 35 dB; góc tới [20o 30o 60o 90o 120o 200o 160o 300o] 24 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA a) Tín hiệu đến có góc bù tới hệ ULA b) Tín hiệu đến có góc bù tới hệ UCA Hình Tín hiệu đến có góc bù Kết mơ SNR tối thiểu có tín hiệu đến hệ thống D = 1; N = 9; SNR = 24; θ = 20 có lớn tín hiệu đến hệ thống a) D = 1; N = 9; SNR = 24; θ = 20 Kết mô tăng tỉ lệ SNR: λ = 0,5 m; N = 10; D = 8; D = λ/2; M = 1000 b) D = 2; N = 9; SNR = [1 24]; θ = [20 30] Hình Tín hiệu đến SNR nhỏ có D = D ≥ a) SNR = [250 250]; θ = [20 60] b) SNR = [25 25]; θ = [20 60]; Hình Tín hiệu đến có khoảng cách chấn tử d = 0,01 λ SNR nhỏ [25 25] lớn [250 250] Bảng Kết mô tăng số chấn tử (N tăng) N ULA UCA 15 30 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 25 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 40 70 Nhận xét: Từ kết mơ thể hình cho thấy ứng dụng thuật toán MUSIC mảng anten xếp theo hình tròn (UCA) hiệu mảng anten xếp theo đường thẳng (ULA) Khi tham số hệ λ = 0,5 m; N = 10; D = 8; d = λ/2; M = 1000; SNR = 35 dB góc tới nhỏ cho UCA phân biệt tốt hai tín hiệu đến 0,2o ULA 0,4o Hình 7: Khi góc tới bù nhau, cụ thể (20o 200o); (120o 300o), UCA phân biệt rõ góc tới ULA đưa phổ góc tới 20o 120o Lý do, UCA góc quay anten 360o, góc quay ULA 180o Bảng 1: Khi số chấn tử (N) lớn số tín hiệu đến (D) tín hiệu đến phân tích cách rõ ràng nhiễu tín hiệu đến vùng phổ cơng suất thấp gần Tuy nhiên Ne lớn so với D chất lượng hệ thống không cải thiện nhiều hệ thống thực khơng khả thi kích thước hiệu kinh tế Hình 8: Khi có sóng tới trạm thu SNR sóng tới tối thiểu phải đạt 24 dB, hệ thống có khả thu phân tích tín hiệu (hình 8a) Nếu có từ hai tín hiệu đến trạm thu trở lên phải có tín hiệu có SNR tối thiểu đạt 24 dB, tín hiệu lại có SNR tối thiểu dB hệ thống trạm bờ thu phân tích đầy đủ tín hiệu đến (hình 8b) Hình 9: Tín hiệu đến hệ anten có d nhỏ so với bước sóng d = 0,01λ khảo sát cho thấy cần SNR nhỏ 25 dB hệ thống cho phổ tín hiệu đến tốt (hình 9b) SNR tăng làm cho phổ phân biệt tín hiệu đến xác rõ ràng (hình 9a) KẾT LUẬN - Từ kết mơ cho thấy thuật tốn MUSIC áp dụng cho mảng anten phân bố tròn (UCA) cho hiệu phân biệt rõ sóng tới o sát (0,2 ) tốt hệ thống ULA o (0,4 ) Kết có hệ thống UCA điều chỉnh vector bán kính η theo phương trình (18) η hệ thống ULA η = [(l ‒ 1)d 0]T Từ hai vector o cho thấy góc quay hệ UCA từ đến o o o 360 , hệ ULA đến 180 - Các góc tới bù thu phân biệt rõ mảng anten phân bố tròn (UCA), mảng anten phân bố thẳng (ULA) coi tín hiệu bù tín hiệu đến - Số chấn tử anten (N) cần chọn lớn số tín hiệu đến D, đảm bảo khả thu phân tích tín hiệu khả thi kích thước thiết kế kinh tế - Tỉ số tín hiệu tạp âm SNR tối thiểu đến trạm bờ cho nguồn đến 24 dB Hệ thống gồm nhiều nguồn tín hiệu đến trạm bờ phải có nguồn có SNR tối thiểu 24 dB, tín hiệu lại có SNR tối thiểu dB - Khi giảm khoảng cách chấn tử làm nhiễu tín hiệu tăng lên, để hệ thống nhận tốt tín hiệu cần tăng SNR nhỏ 25 dB TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Anh, Vũ Văn Yêm, Lâm Hồng Bạch (2007) Ứng dụng thuật tốn MUSIC việc xác định vị trí tàu thuyền đánh cá loại vừa nhỏ hoạt động vùng ven biển Tạp chí Điện tử ngày nay, số 95, trang 10-17 [2] Hán Trọng Thanh (2015) Nâng cao chất lượng xác định hướng sóng tới cho hệ 26 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HĨA thống vơ tuyến tìm phương sử dụng dàn anten Luận án tiến sĩ, Đại học Bách khoa Hà Nội, trang 60 -79 [3] Tạ Thị Mai (2011) Ứng dụng thuật tốn MUSIC định hướng sóng đ ến đối v ới h ệ anten x ếp theo cung tròn Luận văn thạc sĩ Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, trang 35-51 [4] Trần Xuân Việt (2010) Ứng dụng thuật toán MUSUC hệ thống vơ tuyến tìm phương sử dụng anten mạng Tạp chí Khoa học Cơng nghệ hàng hải, số 22, trang 37 -41 [5] T.T Zhang, Y.L Lu, H.T Hui (2005) Simultaneous Estimation of Mutual Coupling Matrix and DOAs for ULA, UCA Anten, radar, and wave propagation, page 277-280 [6] Zhongfu Ye and Chao Liu (2008) On the resiliency again of MUSIC direction finding agsinst antenna sensor coupling, IEEE Trans On Antennas and propagation, Vol 56 No 2, February 2008 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 27 ... (2011) Ứng dụng thuật toán MUSIC định hướng sóng đ ến đối v ới h ệ anten x ếp theo cung tròn Luận văn thạc sĩ Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, trang 35-51 [4] Trần Xuân Việt (2010) Ứng dụng. .. lập theo bước sóng λ Các nguồn tín hiệu đến có hệ số sóng thay đổi, góc đến nhỏ hai tín hiệu đến, SNR nhỏ hệ thống nhận biết tốt phổ tín hiệu đến 4.2.1 Tham số tín hiệu đến - Bước sóng tín hiệu... dB hệ thống trạm bờ thu phân tích đầy đủ tín hiệu đến (hình 8b) Hình 9: Tín hiệu đến hệ anten có d nhỏ so với bước sóng d = 0,01λ khảo sát cho thấy cần SNR nhỏ 25 dB hệ thống cho phổ tín hiệu đến