Ứng dụng gsc giảm can nhiễu trong hệ thống thông tin không dây có trải góc đến của tín hiệu đến

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - PHẠM VIỆT TUẤN ỨNG DỤNG GSC GIẢM CAN NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG DÂY CĨ TRẢI GĨC ĐẾN CỦA TÍN HIỆU ĐẾN Chun ngành: Kỹ thuật Điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2011 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS Đỗ Hồng Tuấn Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày …… tháng …… năm …… Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Tp HCM, ngày tháng năm 2010 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phạm Việt Tuấn Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 21/01/1982 Nơi sinh: Thừa Thiên Huế Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử MSHV: 09140032 I- TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng GSC giảm can nhiễu hệ thống thông tin không dây có trải góc đến tín hiệu đến II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Tìm hiểu tạo búp sóng, lọc tối ưu Wiener, lọc LCMV (Linearly Constrained Minimum Variance)  Tìm hiểu giải thuật GSC (Generalized Sidelobe Cancellers)  Nghiên cứu giải toán nhiều ràng buộc áp dụng giải thuật GSC  Áp dụng GSC cho toán giảm can nhiễu điều kiện lý tưởng  Áp dụng GSC cho toán giảm can nhiễu điều kiện thực tế  Thực mơ giải thuật chương trình Matlab, trình bày kết đồ thị số liệu III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS ĐỖ HỒNG TUẤN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN (Họ tên chữ ký) QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Em xin gửi đến thầy Đỗ Hồng Tuấn lời cảm ơn chân thành Thầy trực tiếp hướng dẫn, bảo tạo điều kiện thuận lợi tài liệu việc sẵn sàng trao đổi email giúp em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Khoa Điện - Điện tử trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh, người truyền đạt kiến thức cho em định hướng nghiên cứu cho em suốt thời gian học tập nghiên cứu trường Cuối em xin cảm ơn gia đình bạn bè giúp đỡ, động viên em suốt trình học tập nghiên cứu Em xin chân thành cảm ơn Phạm Việt Tuấn GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Luận văn thực đề tài “Ứng dụng GSC giảm can nhiễu hệ thống thơng tin khơng dây có trải góc đến tín hiệu đến” gồm có chương Chương trình bày sở lý thuyết cho giải thuật GSC vấn đề liên quan Chương đề giải thuật áp dụng cho toán lý tưởng thực tế Chương nêu kết đạt áp dụng giải thuật GSC chương kết luận hướng phát triển luận văn thạc sĩ Trong chương 1, sở lý thuyết giải thuật GSC cho trường hợp lý tưởng đưa Giải thuật GSC dựa yếu tố chính: vectơ lái s( ) , vectơ trọng số tĩnh (quiescient weight vectơ) w q , ma trận chắn (blocking matrix) Ca lọc Wiener Trong đó, luận văn giải điểm khó khăn giải thuật GSC cho trường hợp tổng quát nhiều ràng buộc đưa lời giải cho ma trận chắn Ca Trong chương 2, áp dụng giải thuật GSC cho toán cụ thể Bài toán 1, hai toán lý tưởng giảm can nhiễu với điều kiện ràng buộc Bài toán 3, hai toán lý tưởng giảm can nhiễu với nhiều điều kiện ràng buộc Với toán thực tế 5, giải thuật GSC thay đổi tương ứng với góc trải trung tâm tín hiệu mong muốn Qua giải thuật GSC, toán cho phép tìm số anten tối ưu góc đến tín hiệu mong muốn bị trải Bài tốn thực tế 8, kết hợp giải thuật GSC hàm cửa sổ Hamming, Hanning, Gauss, Kaiser, Chebyshev để giảm can nhiễu tốt xuất tín hiệu nhiễu góc đến tín hiệu nhiễu bị trải Trong chương 3, luận văn đưa kết đạt áp dụng giải thuật GSC nhằm giảm can nhiễu cho toán lý tưởng toán thực tế tương ứng với chương Kết thể qua đánh giá: đồ thị đáp ứng công suất Trang GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn hay mẫu búp sóng (beam pattern) tỉ số cơng suất trung bình tín hiệu mong muốn tín hiệu nhiễu SINR đầu vào anten đầu tạo búp sóng Với tốn lý tưởng, đồ thị đáp ứng công suất, điều kiện ràng buộc thõa mãn thể qua: góc đến tín hiệu mong muốn, đáp ứng cơng suất 0dB tương ứng với không bị suy hao; góc đến tín hiệu nhiễu biết trước góc đến, đáp ứng  (dB ) , tương ứng với suy hao hoàn toàn Ngoài ra, với tín hiệu nhiễu khơng biết trước góc đến, cơng suất bị suy giảm mạnh (lớn mức 60(dB ) ) Trên bảng kết tỉ số SINR, ta thấy tỉ số SINR tăng lên từ ban đầu 60(dB ) đầu vào anten, lên mức vài dB đến vài chục dB Ngoài ra, số anten tăng lên, ta đạt tỉ số SINR tốt Với tốn thực tế, góc đến tín hiệu mong muốn bị trải tốn 5, 6, Với giả thiết góc đến trải xung quanh góc trung tâm theo phân bố phân bố Gauss Kết dẫn đến tín hiệu mong muốn xem tín hiệu nhiễu bị làm suy hao, nên tỉ số cơng suất trung bình tín hiệu mong muốn tín hiệu nhiễu bị giảm mạnh Để tăng tỉ số SINR, ta cần cài đặt lại trọng số cho tạo búp sóng Với giải thuật GSC thực lại theo góc đến tín hiệu mong muốn, đồ thị đáp ứng công suất chuyển búp sóng đến góc đến trung tâm mà đảm bảo điều kiện ràng buộc với can nhiễu biết trước làm suy giảm can nhiễu trước góc đến Đồng thời tỉ số SINR cải thiện đáng kể qua bảng số liệu SINR Với toán thực tế 8, 9, xuất tín hiệu nhiễu với cơng suất lớn, góc đến tín hiệu nhiễu khơng biết trước bị trải sau cài đặt thông số cho tạo búp sóng Ta kết hợp giải thuật GSC hàm cửa sổ Hamming, Hanning, Gauss, Kaiser, Chebyshev để làm giảm biên độ búp sóng phụ nhằm làm đáp ứng cơng suất tín hiệu nhiễu có góc đến ngồi búp sóng bị suy giảm nhiều Trang GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Tóm lại, luận văn giải trường hợp lý tưởng tổng quát nhiều điều kiện ràng buộc cho giải thuật GSC thể kết đồ thị đáp ứng công suất tính tốn SINR tỉ số cơng suất trung bình tín hiệu mong muốn tín hiệu nhiễu Luận văn đưa giải pháp hiệu cho trường hợp thực tế góc đến tín hiệu mong muốn bị trải xung quanh góc đến trung tâm theo phân bố biết trước; xuất tín hiệu nhiễu góc đến tín hiệu nhiễu bị trải Các giải pháp cho toán thực tế thực lại giải thuật GSC ứng với góc trải trung tâm, điều chỉnh độ rộng búp sóng theo số anten hay kết hợp hàm cửa sổ Hamming, Hanning, Gauss, Kaiser, Chebyshev để làm giảm búp sóng phụ Đề tài đưa ba hướng phát triển chính: Áp dụng giải thuật thích nghi (adaptive algorithm) LMS, RLS, … thay lời giải tối ưu lọc Wiener giải thuật GSC Tìm kiếm phương pháp giữ ổn định cho giải thuật GSC gặp lỗi vectơ lái (steering vector errors) Và nghiên cứu giải thuật GSC áp dụng cho tín hiệu băng rộng (broad band) Trang GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG GSC GIẢM CAN NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THƠNG TIN KHƠNG DÂY CĨ TRẢI GĨC ĐẾN CỦA TÍN HIỆU ĐẾN MỤC LỤC MỞ ĐẦU 11 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO GIẢI THUẬT GSC .15 1.1 Bộ lọc Wiener 15 1.2 Bộ lọc LCMV (Linearly Constrained Minimum Variance) 19 1.3 Giải thuật GSC (Generalized Sidelobe Cancellers) 23 1.4 Cách tìm ma trận chắn (blocking matrix) C a 28 1.4.1 Ma trận chiếu (projection matrix) 28 1.4.2 Thủ tục Gram-Schmidt (Gram-Schmidt Process) 29 1.4.3 Ma trận chắn (blocking matrix) C a 31 1.5 Tín hiệu trải góc đến 32 1.6 Các hàm cửa sổ 33 CHƯƠNG 2: GIẢI THUẬT GSC CHO CÁC BÀI TỐN GIẢM CAN NHIỄU 38 2.1 Các tốn lý tưởng 38 2.2 Các toán thực tế 39 2.3 Giải thuật cho toán lý tưởng 42 2.4 Giải thuật cho toán lý tưởng 48 2.5 Giải thuật cho toán lý tưởng 53 2.6 Giải thuật cho toán lý tưởng 55 Trang GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn 2.7 Giải thuật cho toán thực tế 63 2.8 Giải thuật cho toán thực tế 67 2.9 Giải thuật cho toán thực tế 72 2.10 Giải thuật cho toán thực tế 73 2.11 Giải thuật cho toán thực tế 77 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ ÁP DỤNG GSC CHO CÁC BÀI TOÁN GIẢM CAN NHIỄU .82 3.1 Kết GSC cho toán lý tưởng 82 3.1.1 Số anten M = 10 82 3.1.2 Số anten M = 16 84 3.2 Kết GSC cho toán lý tưởng 87 3.2.1 Số anten M = 10 87 3.2.2 Số anten M = 16 89 3.3 Kết GSC cho toán lý tưởng 92 3.3.1 Số anten M = 10 92 3.3.2 Số anten M = 16 95 3.4 Kết GSC cho toán lý tưởng 96 3.4.1 Số anten M = 10 97 3.4.2 Số anten M = 16 100 3.5 Kết GSC cho toán thực tế 102 3.5.1 Số anten M = 10 102 3.5.2 Số anten M = 16 105 3.6 Kết GSC cho toán thực tế 107 3.6.1 Số anten M = 10 108 3.6.2 Số anten M = 16 110 Trang GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn 3.7 Kết GSC cho toán thực tế 113 3.7.1 Số anten ứng với độ rộng -3dB búp sóng 113 3.7.2 Khi độ rộng búp sóng q lớn so với độ trải 114 3.7.3 Khi độ rộng búp sóng nhỏ so với độ trải 115 3.7.4 Tìm số anten để độ rộng búp sóng phù hợp với độ trải 116 3.8 Kết GSC cho toán thực tế 117 3.8.1 Số anten M = 16 117 3.8.2 Số anten M = 30 119 3.9 Kết GSC cho toán thực tế 123 3.9.1 Số anten M = 16 124 3.9.2 Số anten M = 30 126 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 129 4.1 Kết luận luận văn 129 4.2 Hướng phát triển luận văn 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO 134 Trang ... Luận văn thực đề tài ? ?Ứng dụng GSC giảm can nhiễu hệ thống thông tin khơng dây có trải góc đến tín hiệu đến? ?? gồm có chương Chương trình bày sở lý thuyết cho giải thuật GSC vấn đề liên quan Chương... ngành: Kỹ thuật Điện tử MSHV: 09140032 I- TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng GSC giảm can nhiễu hệ thống thông tin khơng dây có trải góc đến tín hiệu đến II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Tìm hiểu tạo búp sóng,... búp sóng tỉ số tín hiệu nhiễu SINRin , SINRout  Áp dụng GSC cho việc giảm can nhiễu từ nhiều nguồn giữ tín hiệu mong muốn nguồn phát tín hiệu mong muốn có trải góc đến, với góc trải theo phân