Nghiên cứu phương pháp định hướng búp sóng và anten thông minh kích thước lớn ứng dụng cho hệ GNSS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - ĐÀO VIỆT HÙNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG BÚP SĨNG VÀ ANTEN THƠNG MINH KÍCH THƯỚC LỚN ỨNG DỤNG CHO HỆ GNSS LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS.NGUYỄN HỮU TRUNG Hà Nội - 2018 LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Hữu Trung, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn tơi tận tình thời gian nghiên cứu hồn thiện luận văn Tơi xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới tập thể thầy, cô giáo Viện Điện tử - Viễn thông trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội tận tình giúp đỡ tơi suốt thời gian học tập nghiên cứu trƣờng Một lần xin trân trọng cảm ơn tất thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ ủng hộ thời gian qua Hà Nội, ngày 29 tháng năm 2018 Tác giả luận văn Đào Việt Hùng i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp cơng trình nghiên cứu thực cá nhân, đƣợc thực sở nghiên cứu lý thuyết dƣới hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Hữu Trung, Viện Điện tử - Viễn Thông, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết luận luận án trung thực, dựa nghiên cứu, thân, chƣa đƣợc công bố dƣới bất ký hình thức trƣớc trình, bảo vệ trƣớc “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ kỹ thuật” Các số liệu, kết quả, kết luận đƣợc tơi tham khảo đƣợc trích dẫn nguồn đẩy đủ Một lần xin khẳng định trung thực lời cam kết Hà Nội, ngày 29 tháng năm 2018 Tác giả luận văn Đào Việt Hùng ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH ẢNH viii LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1:CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐỊNH DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP SỐ 1.1 Giới thiệu định dạng điều khiển búp sóng phƣơng pháp số 1.2 Giới thiệu anten dãy 1.2.1 Các tham số anten dãy 1.2.2 Dãy tuyến tính: 1.2.3 Dãy vòng tròn 1.2.4 Nhân đồ thị 11 1.2.5 Dãy phẳng 12 1.3 Định dạng điều khiển búp sóng phƣơng pháp tƣơng tự 14 1.4 Mảng pha 17 1.5 Định dạng điều khiển búp sóng phƣơng pháp số 19 1.5.1 Định dạng điều khiển búp sóng theo khoảng cách phần tử (Element space beamforming ) 20 1.5.2 Định dạng điều khiển búp sóng theo khoảng cách búp (Beam –Space beamforming) 21 1.5.3 Định dạng điều khiển búp sóng hai chiều ( Two – diamensional beamforming) 22 1.6 Định nghĩa phân cực chéo 23 1.7 Tổng Kết Chƣơng 24 CHƢƠNG 2:MỘT SỐ THUẬT TỐN CHO ĐIỀU KHIỂN BÚP SĨNG 25 2.1 Thuật toán Chebychev: 25 2.1.1 Đồ thị Chebychev cho dãy phẳng 25 iii 2.1.2 Phân bố dòng tối ưu 27 2.1.3 Phương pháp biến đổi cho xác định biên độ dòng 29 2.1.4 Độ rộng búp mảng phẳng Chebychev 31 2.1.5 Số phần tử nhỏ cho quét vùng rộng 34 2.2 Thuật toán SMI 35 2.2.1 Xử lý mảng thích nghi tối ưu 35 2.3 Kết hợp thuật toán Chebychev thuật toán SMI 40 2.4 Khảo sát yếu tố ảnh hƣởng đến tạo điền khiển búp sóng 40 2.4.1 Khảo sát ảnh hƣởng kích thƣớc dãy đến điều khiển búp sóng 40 2.4.2 Khảo sát ảnh hƣởng phân cực đến điều khiển búp sóng 42 2.4.3 Khảo sát ảnh hƣởng phƣơng pháp điều khiển búp sóng 44 CHƢƠNG 3: XỬ LÝ MIỀN KHÔNG GIAN, THỜI GIAN VÀ KẾT HỢP KHƠNG GIAN THỜI GIAN CÁC TÍN HIỆU GNSS 50 3.1XỬ LÝ MIỀN KHƠNG GIAN CÁC TÍN HIỆU GNSS 50 3.1.1 Giới thiệu anten 50 3.1.2 Mảng anten 52 3.1.3 Xác định kích thƣớc 56 3.1.4Mơ hình tín hiệu 57 3.1.5Liên kết tương hỗ 59 3.1.6Xử lý tương quan 60 3.1.7Phép chiếu dựa phƣơng pháp định cỡ 62 3.2 XỬ LÝ MIỀN THỜI GIAN TÍN HIỆU GNSS 65 3.2.1Xử lý tín hiệu BOC miền thời gian 66 3.2.2Bộ lọc sơ cấp 68 3.2.3MMSE ZF 70 3.2.4Xử lý tín hiệu miền thời gian 73 3.2.5Bám độc lập trễ pha 74 3.2.6Phân tích thuật tốn 75 3.3XỬ LÝ KẾT HỢP KHÔNG GIAN – THỜI GIAN 75 iv 3.3.1 Giới thiệu chung xử lý không gian – thời gian 75 3.3.2Kỹ thuật STAP 77 3.3.2.1MSE 77 3.3.2.2Maximum SNR 78 3.3.2.3ML 79 3.3.2.4MV 79 3.3.3STAP cho tín hiệu GNSS 80 3.3.4STAP cho tín hiệu BOC 82 3.4Tổng Kết Chƣơng 84 KẾT LUẬN 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DBF Digital Beamforming DOA Direction Of Arrival IF Intermediate Frequence RF Radio Frequence SMI Sample Matrix Inversion SNR Signal Noise Ratio MMIC Monolithic Microwave Integrated Circuit ACF Auto-Correlation Function BOC Binary-Offset-Carrier BPSK Binary Phase Shift Keying BJ Bump-Jump CDMA Code Division Multiple Access DLL Delay Lock Loop DE Double Estimator DOA Direction of Arrival FLL Frequency Lock Loop FT Fourier Transform GIOVE Galileo In-Orbit Verification Exp GNSS Global Navigation Satellite Syste GPS Global Positioning System IF Intermediate Frequency IFT Inverse Fourier Transform ISI Inter Symbol Interference LNA Low Noise Amplifier LOS Line-of-Sight MDR Multipath-to-Direct Ratio MEE Multipath Error Envelope vi ML Maximum Likelihood MMF Mis-Match Filter MMSES Minimum Mean Square Error Sha MP MultiPath MSE Mean Square Error MTLL Mean Time to Lose Lock MV Minimum Variance NCO Numerically Controlled Oscillato NI National Instruments PDF Probability Density Function PLL Phase Lock Loop PRN Pseudo Random Noise PRS Pseudo Random Sequence PSD Power Spectral Density RF Radio Frequency SLL Sub-carrier Lock Loop SNR Signal to Noise Ratio STAP Space-Time Adaptive Processing SV Satellite Vehicle VE Very Early VL Very Late ZFS Zero-Force Shaping vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Hệ anten DBF tổng quát .2 Hình 1.2: Bộ điều khiển búp sóng tƣơng tự Hình 1.3: Một dãy tuyến tính cách .8 Hình 1.4: Đồ thị xạ dãy tuyến tính tám phần tử .9 Hình 1.5: Dãy vòng với k phần tử cách 10 Hình 1.6: Đồ thị xạ dãy vòng phần tử với R  0.6533λ , búp sóng anten đƣợc lái theo hƣớng φ  o 11 Hình 1.7: Dãy phẳng hình chữ nhật 12 Hình1.9: Dãy phẳng hình lục giác đƣợc xem nhƣ bao gồm số dãy vòng tròn phần tử, đồng tâm có bán kính khác 14 Hình 1.10: Mạng điều khiển búp sóng tƣơng tự .15 Hình 1.11: Anten dãy vi dải gồm bốn phần tử 16 Hình 1.12 : Ma trận điều khiển búp sóng Butler cho dãy gồm bốn phần tử: (a) ma trận Butler 4x4; (b) hybird đƣợc sử dụng ma trận .17 Hình 1.13 : Mảng pha tuyến tính 18 Hình 1.14: Tín hiệu thu đƣợc phần tử đƣợc nhân với trọng số phức đƣợc lấy tổng lại kết búp sóng lối .19 Hinh 1.15: Định dạng điều khiển búp sóng theo khoảng cách phần tử .21 Hình 1.16: Định dạng điều khiển búp sóng theo khoảng cách búp tạo đa búp sóng 22 Hình 1.17: Phân cực chuẩn, phân cực chéo 24 Hình 2.1: Dãy hình chữ nhật với phần tử cách giống 25 Hình 3.1: Đồ thị hƣớng tính theo kích thƣớc dãy .41 Hình 3.2: Lát cắt góc φ  đồ thị xạ 42 Hình 3.3: Dãy  , phân cực tròn phải, đƣợc lái theo hƣớng  45,30  43 Hình 3.4: Đồ thị với góc φ  45 o 44 Hình 3.5: Đồ thị dãy  phần tử cực tròn trái 45 viii Hình 3.6: So sánh đồ thị xạ dãy hệ số dãy 45 Hình 3.7: Độ hƣớng tính mức búp phụ cho dãy  46 Hình 3.8: Đồ thị xạ sau lái búp sóng vị trí điểm khơng 47 Hình 3.9: Lát cắt góc φ  đồ thị xạ 47 Hình 3.10: Biểu đồ so sánh thuật toán SMI với thuật toán kết hợp SMI Chebychev 48 Hình 4-1 Mơ hình xạ anten với thơng số 51 Hình 4-2 Các dạng khác cấu trúc mảng anten 53 Hình 4-3 Mơ hình mơ tả mảng anten nhận tín hiệu đơn từ nguồn góc nâng mặt phẳng phƣơng vị 54 Hình 4-4 Sơ đồ khối biểu diễn hoạt động tạo chùm tia 55 Hình 4-5 Mơ hình chùm tia mảng anten so sánh với anten đơn với có mặt nhiễu 56 Hình 4-6 Mảng anten thành phần với hệ số liên kết tƣơng hỗ .59 Hình 4-7 Cấu trúc bám tín hiệu GNSS cho xử lý đa anten .62 Hình 5-1 Kỹ thuật DE khai thác dạng tích tín hiệu, kỹ thuật lọc sơ cấp lại khai thác dạng tích chập tín hiệu 67 Hình 5-2 Sơ đồ khối lọc sơ cấp, lọc U(f) dùng để lọc tín hiệu tới V(f) để lọc tín hiệu mạch 68 Hình 5-3 Cấu trúc bắt bám độc lập mã sóng mang 74 Hình 6-1 Sơ đồ khối xử lý không gian – thời gian .76 Hình 6-2 Biểu diễn kỹ thuật xử lý không gian – thời gian khác 77 Hình 6-3 STAP Pre Post-correlation đƣợc sử dụng tín hiệu GNSS .81 Hình 6-4 Cấu trúc xử lý thích nghi khơng gian – thời gian cho bám tín hiệu BOC 83 ix 3.2.5 Bám độc lập trễ pha Vịng khóa pha PLL ln mắt xích yếu máy thu GNSS trình lọc lại làm khuếch đại thêm nhiễu đầu vào làm giảm hiệu suất kết vịng khóa pha Máy thu trở nên nhạy Đối với mơi trƣờng tín hiệu yếu, vịng khóa pha PLL q trình lọc đƣợc xử lý độc lập kết đem lại tốt Chính lý này, kĩ thuật sử dụng lọc riêng rẽ giá trị tƣơng ứng dùng vịng khóa pha PLL vịng khóa trễ DLL đƣợc phát triển Cấu trúc đƣợc biểu diễn hình dƣới đây: Hình 3-10 Cấu trúc bắt bám độc lập mã sóng mang Ở đây, vịng khóa trễ DLL đƣợc điều chỉnh thông số lọc tƣơng ứng đảm bảo cho việc dị tìm xác Mặt khác, vịng khóa pha đƣợc điều chỉnh tín hiệu thêm vào khơng qua lọc Bằng cách này, vịng khóa pha PLL khơng bị ảnh hƣởng khuếch đại nhiễu từ lọc sơ cấp Hình 5-3 ƣớc lƣợng nhiễu tín hiệu C/N0 thu đƣợc cách sử dụng bám tiêu chuẩn tối ƣu sử dụng cân ZFS Trong trƣờng hợp chuẩn, PLL đƣợc điều chỉnh mã đƣợc lọc khơng thể bào tồn giá trị C/N0 bé 35dB-Hz Khi PLL đƣợc điều chỉnh giá trị tƣơng quan không qua lọc, điều đảm bảo giá trị C/N0 bé 30 dB-Hz 74 3.2.6 Phân tích thuật toán Bộ lọc đƣợc sử dụng nhằm tạo dạng tín hiệu tự tƣơng quan nhằm thay đổi thuộc tính tín hiệu nhiễu Tức làm giảm tỉ số SNR đầu Việc tác động đến vấn đề khuếch đại nhiễu Khi đó, H(f) tạo nhiễu méo tín hiệu SNR trở thành: SNR  C Ti N0 (3.30) Với  tiêu hao lọc, có giá trị    B B B B Gx ( f ) H ( f )df (3.31) Gx ( f ) H ( f ) df Chú ý rằng, tử số mẫu số cơng thức (5.12) tín hiệu nhiễu cơng thức (5.4):  MMSES   N0 2   GD ( f )  Gx ( f ) H ( f )  C Gx ( f ) H ( f )  df Kĩ thuật   BIF  BIF  MMSES tìm liên quan việc tạo Gx ( f ) H ( f ) phổ tín hiệu mong muốn GD ( f ) giảm thành phần nhiểu mẫu số công thức (3.31) Nếu biên độ đầu Prompt tƣơng ứng đƣợc chuẩn hóa 1, 1    n2  C C SNR Ti Ti N0 N0 Công thức sử dụng việc tín tốn méo rung tất kĩ thuật bám tín hiệu BOC, BJ, DE, lọc sơ cấp 3.3 XỬ LÝ KẾT HỢP KHÔNG GIAN – THỜI GIAN 3.3.1 Giới thiệu chung xử lý không gian – thời gian Sự kết hợp không gian – thời gian đƣợc gọi xử lý không gian – thời gian Xử lý khơng gian – thời gian giúp nâng cao hiệu suất nhờ vào việc loại bỏ nhiễu, làm tăng tỷ số tín hiệu tổng số nhiễu tạp âm giảm thiểu tác động đa đƣờng Bộ lọc khơng gian có đƣợc cách sử dụng mảng anten xử lý miền thời gian đạt đƣợc cách sử dụng lọc đáp ứng xung hữu 75 hạn đầu anten Ta biểu diễn cách đơn giản mơ hình xử lý khơng gian – thời gian đặc trƣng hình 4-1 Mỗi phần tử anten gồm K nhánh với δ thời gian trễ nhánh liên tiếp tạo nên lọc thời gian Sự kết hợp vài anten tạo nên lọc không gian wkm độ lớn không gian – thời gian với ≤ k < K ≤ m < M k số thời gian, m số anten Hình 3-11 Sơ đồ khối xử lý không gian – thời gian Đầu mảng sau ứng dụng vào lọc không gian – thời gian đƣợc biểu diễn nhƣ sau M 1 K 1 z  t    y  m  t  k  wkm (3.32) m0 k 0 Bộ lọc khơng gian đạt đƣợc với K = với lọc thời gian M = Độ lớn đƣợc tính toán nhờ vào việc sử dụng tiêu chuẩn khác đƣợc mô tả chi tiết phần sau đƣợc bổ sung tùy thuộc vào đặc điểm tín hiệu/nhiễu để ràng buộc ngƣời sử dụng định nghĩa sử dụng kỹ thuật thích nghi khác 76 Cách xử lý thƣờng đƣợc gọi xử lý thích ứng khơng gian – thời gian (STAP) 3.3.2 Kỹ thuật STAP Các thuật tốn xử lý khơng gian – thời gian đƣợc phân thành hai loại: xử lý không gian – thời gian tách riêng kết hợp Phƣơng pháp xử lý kết hợp không gian – thời gian khai thác đặc điểm không gian thời gian tín hiệu đến lọc không gian – thời gian đơn, trái lại phƣơng pháp xử lý tách riêng lại bao gồm vài cân thời gian tạo chùm tia không gian để ảnh hƣởng nhiễu tác động đa đƣờng đƣợc giảm thiểu hai lớp riêng biệt đƣợc biểu diễn hình 4-2 Hình 3-12 Biểu diễn kỹ thuật xử lý không gian – thời gian khác Trong phƣơng pháp xử lý kết hợp không gian – thời gian cho phép làm tăng độ tăng ích xử lý, phƣơng pháp xử lý kết hợp giúp giảm bớt tính tốn phức tạp hệ thống việc hiệu suất nhỏ so sánh với phƣơng pháp cũ Khi phƣơng pháp xử lý kết hợp đƣợc đề xuất, việc tạo chùm tia khơng gian bổ sung vào phƣơng pháp ví dụ nhƣ: MSE, Maximum SNR, Maximum Likehood (ML) Minimum Variance (MV) Có thể mơ tả ngắn gọn ứng dụng phƣơng pháp cho việc tạo chùm tia không gian nhƣ sau 3.3.2.1 MSE Trong phƣơng pháp này, MSE đầu mảng mong muốn (của tín hiệu tham khảo) đầu mảng thực tế nhỏ Kỹ thuật đƣa nhằm giảm 77 thích nghi MSE Vector độ lớn tối ƣu, w   w00 w01 T w0M 1  , thỏa mãn tiêu chuẩn MSE, đƣợc cung cấp nhƣ sau:  E e2  t   E d  t   w H y  t  w w  (3.32) 1  w MSE  Ryy ryd Trong đó: Ryy ma trận tự tƣơng quan tín hiệu đầu vào ryd vector tƣơng quan chéo tín hiệu đến, y  t  , tín hiệu tham khảo d(t) Khi giá trị Ryy ryd khơng biết xác, nhóm giá trị trung bình đƣợc tính tốn nhờ vào việc lƣu nhanh vector đầu vào vector độ lớn đƣợc tính tốn thích ứng Với phƣơng pháp này, cần phải giả định tín hiệu tham khảo biết, điều đặc biệt với tín hiệu GNSS Các bƣớc sau nằm thuật tốn trung bình bình phƣơng tối thiểu giúp lấy tối thiểu MSE việc tạo chùm tia không gian thích nghi - Bước 1: đặt vector w(0) = thơng số kích thƣớc bƣớc μ ≪ 1, - Bước 2: tính tốn đầu lọc z  t   w H  t  1 y  t  - Bước 3: tính tốn sai số ƣớc lƣợng e  t   d  t   z  t  - Bước 4: cập nhật vector trọng lƣợng w  t   w  t  1   y  t  e  t  - Bước 5: lặp lại bƣớc đến bƣớc t = T Thuật tốn thích ứng LMS cho phép loại bỏ nhiễu nhƣ số lần lƣu nhanh đƣợc sử dụng để làm tăng xử lý thích nghi Có thể đạt đƣợc nhiễu null hẹp sâu số lần lƣu nhanh đạt tới 100 3.3.2.2 Maximum SNR Trong phƣơng pháp này, SNR đầu mảng lớn Việc định dạng chùm tia đƣợc dựa vào nguyên tắc Xét hệ thống phƣơng trình với nhiễu η(t): z t   w H  y t   t  (3.33) Mơ hình tốn học cho SNR vector độ lớn tối ƣu làm SNR cực đại biểu diễn nhƣ sau 78  SignalPower  max SNR  max   w w  NoisePower     E y t   max  w  E  t    w SNR      max  w    w w H H Ryy w   R w  (3.34) 1 R s w s H Trong đó: μ số phức tạp, đƣợc định nghĩa w H R w  3.3.2.3 ML Trong phƣơng pháp này, chức mơ hình tín hiệu tập trung vào thông số ƣớc lƣợng lớn Đánh giá hợp lý cực đại (MLE) việc thiết lập thông số chƣa biết, E, đƣợc đƣa công thức Eˆ  arg max p y E ˆ (6.5) E Trong đó: p  y E  hàm khả đƣợc định nghĩa hàm mật độ y cho E Thay xử lý tín hiệu GNSS bản, thơng số ƣớc lƣợng bao gồm trễ mã, tần số Doppler pha sóng mang để E = {τ, fD, θ} y đầu tƣơng quan đƣợc định nghĩa (3.12) để đóng góp chúng hàm khả có ý nghĩa thực đƣợc Khi đề xuất STAP, thông số bổ sung đƣợc bao gồm tín hiệu đầy đủ nhiễu DOA Các đánh giá ML thƣờng gặp khó khăn tính tốn kỹ thuật lặp lại khác đƣợc xử dụng để xác định Ê Thuật tốn SAGE ví dụ kỹ thuật nhƣ cho trễ chung, tần số Doppler đánh giá DOA 3.3.2.4 MV Trong phƣơng pháp này, thay đổi nhiễu (hoặc tƣơng lƣợng nhiễu đầu tƣơng đƣơng) nhỏ phụ thuộc vào quan hệ tuyến tính để cung cấp tăng ích hƣớng mong muốn Việc định hình chùm tia Capon (hoặc việc tạo búp sóng MVDR) sở tiêu chuẩn đƣợc mô tả 79  E   t  w    w w  w MVDR  H R w  phụ thuộc vào w H s  1 R s 1 s H R s (6.6) 1 Có thể thấy R   n2 I , việc tạo búp sóng MVDR dẫn đến trễ việc tạo búp sóng tổng đƣợc đƣa (6.4) Trong trƣờng hợp khơng có nhiễu, nhận thấy trễ quy ƣớc việc tạo chùm tia tổng việc tạo chù tia MVDR cung cấp kết tƣơng tự Với có mặt nhiễu, MVDR đƣợc đặt hồn tồn vào đáy rỗng dọc theo nhiễu DOA trì tăng ích tín hiệu DOA Để tính tốn xa hiệu suất q trình tạo chùm tia DOA, hai tín hiệu can thiệp -600 -400 đƣợc đƣa vào với nhiễu có tín hiệu mong muốn Khi sử dụng MVDR, việc tạo chùm tia khơng gian đặt điểm khơng vào nhiễu DOA mà khơng làm ảnh hƣởng đến tăng ích tín hiệu DOA mong muốn 3.3.3 STAP cho tín hiệu GNSS Sự hồn thiện kỹ thuật STAP đƣợc ứng dụng radar, sonar, airborne hệ thống thông tin di động Điều dẫn đến khả ứng dụng kỹ thuật STAP vào xử lý tín hiệu GNSS Một vài kỹ thuật STAP đƣợc giới thiệu cho việc cải thiện hiệu xử lý tín hiệu GNSS Các kỹ thuật khai thác lợi STAP cho việc giảm thiểu ảnh hƣởng tác động đa đƣờng can thiệp tín hiệu khơng mong muốn, qua giúp cải thiện chất lƣợng tín hiệu Cơ sở tín hiệu GNSS bao gồm phƣơng pháp xử lý kết hợp không gian – thời gian xử lý riêng biệt không gian – thời gian đƣợc nghiên cứu Khi xét cho phƣơng pháp tách riêng phần, lọc thời gian đƣợc áp dụng anten lọc khơng gian đƣợc áp dụng cho hai tầng khác nhau, pre-correlation post-correlation đƣợc biểu diễn hình 6-3 Đối với lớp pre-correlation, trọng số khơng gian đƣợc ứng dụng tín hiệu đến sau làm sóng mang lớp post-correlation, trọng số không gian đƣợc ứng dụng sau khối I&D đầu tƣơng quan Trong xử lý pre-correlation, tốc 80 độ cập nhật vector trọng số vào khoảng MHz (tƣơng ứng với tần số lấy mẫu) xử lý post-correlation có lợi tốc độ cập nhật chậm hơn, vào khoảng kHz (tần số I&D) Trong xơ sở xủa xử lý pre-correlation, nhiễu thành phần thêm vào chiếm phần đáng kể ma trận tƣơng quan không gian dẫn đến khả giảm thiểu nhiễu tín hiệu thêm vào khơng mong muốn Tuy nhiên thơng tin tín hiệu trực tiếp tín hiệu phản xạ khơng có sẵn nhƣ tín hiệu GNSS tốt dƣới mức nhiễu Thông tin đƣợc lấy từ xử lý post-correlation Hình 3.12 STAP Pre Post-correlation đƣợc sử dụng tín hiệu GNSS 81 Một STAP kết hợp đƣợc đề xuất cho mảng anten GNSS Các trọng số đƣợc thay đổi theo lọc tối ƣu cho lƣợng nhỏ quan hệ tuyến tính để giảm thiểu MSE tia tín hiệu tới tín hiệu tham khảo Các quan hệ tuyến tính bao gồm đƣờng chéo pha sóng mang khơng đƣờng chéo trễ mã khơng tín hiệu tạo chùm tia để đƣờng chéo cảm ứng mảng anten tiến đến Trong dạng xử lý này, ta cần có thơng tin phổ lƣợng tín hiệu đầu vào, đáp lại front-end đáp lại anten phần tử mảng Việc định dạng chùm sóng hybrid bao gồm tổ hợp tuyến tính trọng số việc định dạng chùm sóng MSE tối thiểu xét miền thời gian việc định dạng chùm sóng phƣơng sai tối thiểu xét miền không gian Nhiệm vụ việc định dạng chùm sóng hybrid loại bỏ tác động đa đƣờng nhƣ nhiễu Xử lý khơng gian thích nghi đƣợc u cầu dựa mối quan hệ việc tạo chùm sóng MVDR thuật tốn SAGE Các thuật tốn khơng gian – thời gian đƣợc ứng dụng cho tín hiệu Galileo Dữ liệu Galileo trực tiếp đƣợc sử dụng để chứng minh hoạt động máy thu dẫn đƣờng Galileo có sử dụng mảng anten Một kỹ thuật làm giảm nhiễu cho tần số Galileo E1 đƣợc đề xuất để tận dụng lợi từ việc xử lý kết hợp miền tần số không gian - thời gian Để đạt đƣợc việc giảm nhiễu, ngƣời ta đề xuất thuật toán tham chiếu sở để loại bỏ tín hiễu nhiễu khơng mong muốn từ tín hiệu nhận đƣợc Ở đây, tín hiệu đến đƣợc tham chiếu vào không gian trực giao nhiễu sau lọc khơng gian – thời gian đƣợc áp dụng Trong nghiên cứu này, cấu trúc xử lý riêng biệt không gian – thời gian đƣợc đề xuất Xử lý thời gian đƣợc ứng dụng đầu anten xử lý không gian đƣợc áp dụng lớp postcorrelation Xử lý thời gian dựa cân MMSE xử lý không gian dựa định hình chùm tia thích nghi đƣợc nhắc đến phần sau 3.3.4 STAP cho tín hiệu BOC Cấu trúc STAP đƣợc đề xuất cho việc bám tín hiệu BOC đƣợc đƣa hình 6-4 Trong phƣơng pháp này, tín hiệu BOC đến điểm xử lý sử dụng cân thời gian đƣợc trình bày Chƣơng cung cấp tín hiệu với 82 phổ BPSK Phổ lọc từ vài anten sau đƣợc kết hợp sử dụng định dạng chùm tia không gian mà cung cấp tăng ích tối đa theo hƣớng đến tín hiệu mong muốn Tín hiệu định dạng chùm tia đƣợc đƣa đến vịng lặp khóa mã khóa sóng mang để xử lý thêm Bộ lọc thời gian đƣợc thiết kế theo nguyên tắc cân MMSE đƣợc trình bày Chƣơng Hình 3-13 Cấu trúc xử lý thích nghi khơng gian – thời gian cho bám tín hiệu BOC Bên cạnh đó, trọng số khơng gian đƣợc tính tốn bổ sung dựa thông tin sau: - Ma trận phƣơng sai tín hiệu nhiễu có đƣợc từ đầu tƣơng quan - Các thông số tƣơng quan đƣợc xác định theo thuật toán đƣợc đƣợc trình bày phần để làm tối thiểu ảnh hƣởng liên kết tƣơng hỗ sai lệch tăng ích/pha anten - Dữ liệu vệ tinh đƣợc giải mã từ gói tin ephemeris/almanac bao gồm thơng tin hƣớng đến tín hiệu GNSS Các trọng số đƣợc bổ sung sử dụng phƣơng pháp lặp cho việc định dạng chùm tia MVDR để làm tối đa hóa chất lƣợng tín hiệu nhƣ thuật tốn sau: 83 Trong q(.), v s đƣợc định nghĩa Chƣơng 4, Phần IV Ở đây, yCaWO  t  biểu diễn tín hiệu đầu vào y  t  sau làm sóng mang yCaWO  t   ym  t  exp  jh  (6.8) Khi tín hiệu GNSS đƣợc tách khỏi nhiễu, q trình làm sóng mang đƣa tín hiệu đầu vào đến dải tần sở ma trận phƣơng sai nhiễu với tín hiệu can thiệp vào khơng mong muốn thu đƣợc sử dụng yCaWO  t  nhƣ biểu diễn công thức từ thuật tốn Khi có mặt nhiễu, việc tạo chùm tia MVDR đƣợc làm thích nghi với mơ hình mảng chùm tia để đặt null vào nhiễu DOA 3.4 Tổng Kết Chƣơng Trong chƣơng này, định chuẩn mảng anten độc lập sử dụng tín hiệu GNSS đƣợc đề xuất nghiên cứu Thuật toán đƣợc đề xuất có khả định chuẩn có hiệu mảng anten mà không cần thêm thiết bị để tạo tín hiệu từ nguồn vị trí biết, cho phép định chuẩn theo đƣờng máy thu GNSS áp dụng cho nhiều anten kỹ thuật xử lý không gian – thời gian thích nghi chúng đƣợc đề xuất Sự xem xét chi tiết dạng khác kỹ thuật xử lý không gian – thời gian nhƣ việc áp dụng cho xử lý tín hiệu GNSS đƣợc đề 84 xuất Kỹ thuật xử lý kết hợp không gian – thời gian cho xử lý tín hiệu BOC đƣợc đƣa tập trung vào ba phần: lọc thời gian đầu anten, thuật toán tƣơng quan cuối định dạng chùm tia không gian để tối ƣu hóa chất lƣợng tín hiệu theo hƣớng đến mong muốn 85 KẾT LUẬN Ứng dụng phát triển kỹ thuật thuật toán tạo điều khiển búp sóng cho hệ anten thơng minh đƣợc nghiên cứu rộng rãi giới lĩnh vực vơ tuyến Khóa luận tốt nghiệp tác giả thực đƣợc nhiệm vụ sau: - Tìm hiểu lý thuyết, khái niệm định dạng điều khiển búp sóng phƣơng pháp số hóa - Tìm hiểu thuật tốn Chebychev, SMI, thuật tốn kết hợp ứng dụng để tạo búp sóng với thuộc tính định trƣớc Tài liệu đánh giá phân tích kỹ thuật tiền lọc làm rõ tính thiếu hiệu chúng việc làm giảm nhiễu khóa sai đỉnh thứ cấp để C/N0 thấp Với mục đích này, kỹ thuật MMSES ZFS đƣợc đề xuất để bám tín hiệu BOC cách rõ ràng Thơng qua mơ bán phân tích, ta thấy đƣợc kỹ thuật MMSES có khả cung cấp hiệu suất tốt điều kiện tracking jitter, ngƣỡng bám MTLL với việc tập trung vào ZFS cung cấp việc bám tín hiệu BOC cách rõ ràng hiệu suất tƣơng đƣơng với DE - Một mối quan tâm bám tín hiệu BOC điều kiện khóa đỉnh thứ cấp diện nhiều đỉnh ACF Sự đánh giá hội tụ sai số bám cho ta thấy ZFS MMSES có khả cung cấp bám mã cách rõ ràng Ngoài ra, sai số bám thƣờng xuyên hội tụ không sai số ban đầu phạm vi ± chip - Các kỹ thuật đƣợc đề xuất ban đầu đƣợc phát triển miền tần số, sau phƣơng pháp tƣơng đƣơng miền thời gian đƣợc tính đến Phƣơng pháp miền thời gian đƣợc tìm cho ta khối lƣợng tính tốn so với phƣơng pháp miền tần số kỹ thuật DE Việc giảm bớt tính tốn địi hỏi kỹ thuật đƣợc đề xuất cho phép triển khai máy thu thực thời gian thực - Các đánh giá ban đầu phƣơng pháp đề xuất sử dụng tín hiệu BOC trực tiếp cho thấy xuống cấp hiệu suất PLL trình lọc phục vụ việc bám cách rõ ràng Cấu trúc bám thay đổi đƣợc hoàn thiện cho việc xử 86 lý tách riêng DLL PLL Với kết trễ độc lập cấu trúc q trình bám pha, thấy PLL khơng bị ảnh hƣởng q trình lọc, giúp cải thiện độ nhạy bám - Một biện pháp định cỡ mảng anten khép kín sử dụng với tín hiệu GNSS khơng yêu cầu liệu tham khảo thêm đƣợc xem xét Phƣơng pháp đề xuất có khả tính tốn xác thơng số định cỡ cho cấu trúc anten khác mức lƣợng tín hiệu vệ tinh - Thuật tốn đề xuất có khả cung cấp tƣơng quan theo máy thu GNSS theo anten - Các kết tạo chùm tia cho hệ thống mảng hiệu chuẩn đƣợc phân tích tính tốn giá trị C/N0 Sự kết hợp xác lý thuyết tính tốn giá trị C/N0 đạt đƣợc phần lớn vệ tinh cho cấu trúc mảng anten khác thay đổi số anten - Một phƣơng pháp xử lý kết hợp không gian – thời gian bao gồm lọc không gian đầu anten định hình chùm tia post-correlation không gian đƣợc thực để biểu diễn xử lý không gian thời gian tín hiệu GNSS Bộ lọc thời gian đƣợc dựa vào tiêu chuẩn MMSE việc định hình chùm tia không gian đƣợc thiết kế dựa tiêu chuẩn MV Các kết mô cho ta thấy đƣợc hiệu phƣơng pháp đƣợc đề xuất việc biểu diễn tín hiệu gây nhiễu Các kết Tracking jitter sử dụng phƣơng pháp bán phân tích cho hệ thống anten đơn, đôi ba đƣợc chứng minh hiệu phƣơng pháp đề xuất - Phân tích C/N0 cho liệu thực tế sử dụng mảng anten đôi cho thấy hiệu xử lý kết hợp không gian – thời gian việc làm giảm tác động môi trƣờng cung cấp cải tiến 2dB độ nhạy bám Mục đích nghiên cứu phát triển kỹ thuật xử lý không gian – thời gian cho việc bám tín hiệu BOC để làm giảm thiểu ảnh hƣởng ACF đa đỉnh nâng cao chất lƣợng tín hiệu với việc tối đa hóa chất lƣợng tín hiệu theo hƣớng đến mong muốn 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] John Litva and Titus Kwok – Yeung Lo, Digital Beamforming In Wireless Communications, Artech House, Boston – London, 1996 [2] Http://en.wikipedia.org [3] A.C Ludwig, The Definition Of Cross – Polarization, IEEE Transactions On Antennas And Propagation, pp 116-119, January 1973 [4] C A Balanis, Antenna theory: Analysis and Design, New York: John Wiley & Sons, 1997 [5] Fung – I Tseng, David K.Cheng, Optimum Scannable Planar Arrays With An Invariant Sidelobe Level, proc.of the IEEE, Vol.56, No.11, pp.1771-1778, November 1968 [6] I.S.Reed, J.D.Mallet, L.E.Brennan, Rapid Convergence Rate In Adaptive Arrays, IEEE Trans On AES, Vol.10, pp 853-863, November 1974 [7] M Clergeud, Algorithms For Beamforming And Beamsteering Of Adaptive Antenna For Satellite Communications And Navigation, Master Thesis, DLR, 2001 [8] P Darwood, P.N Fletcher, G.S Hilton, Mutual Coupling Compensation In Small Planar Array Antenna, IEEE, Proc – Microw Antennas Propag, Vol 145, no.1 – 6, February 1998 88 ... thơng minh anten thích nghi hốn đổi cho [1] 1.2 Giới thiệu anten dãy Trong nhiều ứng dụng anten, hệ thống truyền thông điểm – điểm đƣợc ứng dụng Búp sóng anten có độ định hƣớng cao đƣợc sử dụng. .. nhiều hệ thống có GNSS Anten thơng minh phát triển mà vấn đề điều khiển mảng anten búp song đặc biệt quan trọng Chính em xin chọn Đề tài ? ?Nghiên cứu phƣơng pháp định hƣớng búp sóng anten thơng minh. .. CƠ BẢN VỀ ĐỊNH DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP SỐ 1.1 Giới thiệu định dạng điều khiển búp sóng phƣơng pháp số Những khái niệm ban đầu định dạng điều khiển búp sóng phƣơng pháp số đƣợc