(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu ứng dụng anten thông minh tại phía thu tín hiệu GPS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HỮU TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ANTEN THƠNG MINH TẠI PHÍA THU TÍN HIỆU GPS NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HỮU TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ANTEN THÔNG MINH TẠI PHÍA THU TÍN HIỆU GPS KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60 52 70 Tp Hồ Chí minh, tháng 10/2014 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Nguyễn Hữu Tài Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 03/02/1974 Nơi sinh: Nghệ An Quê quán: Nghệ An Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 51/5 Tân lập, Đơng Hịa, Dĩ An, Bình Dương Điện thoại quan: 08.38222299 Điện thoại nhà riêng: 0903.357.626 Fax: E-mail: II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ /1995 đến /1997 Nơi học (trường, thành phố): Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng Ngành học: Kỹ Thuật Chuyển mạch Đại học: Hệ đào tạo: Khơng quy Thời gian đào tạo từ ……/1998 đến …/ 2003 Nơi học (trường, thành phố):Đại Học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh Ngành học: Điện Tử - Viễn Thông Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Thiết bị tiếp cận thuê bao FSX2000 Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: Trường Đại Học Bách Khoa Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hồng Liên III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 2003 đến Nơi cơng tác VNPT TP.Hồ Chí Minh i Công việc đảm nhiệm Quản lý Vận Hành Bảo Dưỡng & khai thác hệ thống tổng đài Alcatel 1000E10 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014 (Ký tên ghi rõ họ tên) Nguyễn Hữu Tài ii MỤC LỤC Tóm tắt vi Mục lục vii Danh mục hình ix Danh mục bảng xii Danh mục từ viết tắt xiii Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề tình hình nghiên cứu 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Nhiệm vụ phạm vi nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan hệ thống định vị toàn cầu GPS 2.1.1 Giới thiệu hệ thống GPS 2.1.2 Các mảng hệ thống GPS 2.1.3 Cấu trúc tín hiệu GPS 2.1.4 Các sai số hệ thống GPS 11 2.1.4.1 Sai số vệ tinh 11 2.1.4.1.1 Sai số chủ định SA (selective availability) 11 2.1.4.1.2 Sai số quỹ đạo vệ tinh (ephemeris error) 12 2.1.4.1.3 Sai số đồng hồ vệ tinh (satellite clock error) 12 2.1.4.2 Sai số truyền tín hiệu 12 2.1.4.2.1 Sai số truyền dẫn đa đường (multipath error) 12 2.1.4.2.2 Sai số tầng điện ly (ionospheric error) 13 2.1.4.2.3 Sai số tầng đối lưu (tropospheric error) 14 2.1.4.3 Sai số thu người sử dụng 15 2.1.5 Cách tính tọa độ thu dựa theo hình học 17 2.1.6 Giới thiệu thu tín hiệu GPS 20 2.2 Giới thiệu kỹ thuật DGPS 23 2.3 Giới thiệu anten thông minh 26 2.3.1 Lý thuyết dãy anten 27 2.3.2 Phân loại hệ thống anten thông minh 34 2.3.2.1 Các hệ thống tạo búp chuyển đổi 34 vii 2.3.2.2 Bộ tạo búp thích nghi dùng giải thuật LMS 35 2.3.2.3 Bộ tạo búp sử dụng hướng đến dùng giải thuật LCMV 39 2.3.3 Giải pháp Sparse Array cho dãy Anten thông minh 44 2.3.4 Những lợi ích hệ thống anten thơng minh 45 Chƣơng ỨNG DỤNG ANTEN THÔNG MINH TRONG HỆ THỐNG GPS VÀ DGPS 3.1 Ứng dụng anten thông minh hệ thống GPS DGPS 47 3.1.1 Ứng dụng giải thuật LCMV băng hẹp tạo búp sử dụng hướng đến anten thông minh đặt trạm tham khảo 49 3.1.1.1 Ứng dụng giải thuật Multiple LCMV beamforming băng hẹp cho dãy anten ULA (Uniform Linear Array) không gian 2D 51 3.1.1.2 Ứng dụng giải thuật Multiple LCMV beamforming băng hẹp cho dãy anten chữ nhật URA (Uniform Rectangular Array) không gian 3D 56 3.1.2 Ứng dụng giải thuật thích nghi Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo cho dãy anten ULA không gian 2D 60 3.1.3 Ứng dụng giải thuật Sparse Array cho dãy Anten 70 Chƣơng KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 74 4.1 Kết mô giải thuật Multiple LCMV Beamforming băng hẹp 74 4.1.1 Kết mô giải thuật Multiple LCMV Beamforming băng hẹp tạo búp sử dụng hướng đến cho dãy anten ULA có N phần tử không gian 2D 74 4.1.2 Kết mô giải thuật Multiple LCMV Beamforming băng hẹp tạo búp sử dụng hướng đến cho dãy anten URA không gian 3D 76 4.2 Kết mô giải thuật Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp 4.2.1 Kết mô giải thuật Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo cho dãy anten ULA không gian 2D 81 4.2.2 Kết mô giải thuật Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp để chọn số phần tử N dãy anten ULA tối ưu cho thời gian hội tụ nhỏ số 200 cặp giá trị (N,  ) 86 4.2 Kết mô giải thuật Sparse Array 93 viii Chƣơng KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 94 5.1 Kết luận 94 5.2 Hướng phát triển đề tài 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 PHỤ LỤC 98 ix Chương 1: TỔNG QUAN Chương 1: GVHD: PGS TS Phạm Hồng Liên TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề tình hình nghiên cứu nay: Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) hệ thống xác định vị trí dựa vào vệ tinh nhân tạo gồm 24 vệ tinh chủ đạo vài vệ tinh dự trữ phân bố quanh trái đất quỹ đạo gần trịn với đường kính 20138 km có góc nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo Để đảm bảo bao phủ khắp nơi trái đất, vệ tinh GPS xếp cho quỹ đạo có vệ tinh phân bố Về mặt hình học, điểm trái đất thấy từ đến 10 vệ tinh chòm vệ tinh GPS Các vệ tinh GPS bay vòng quanh trái đất hai lần ngày (mỗi chu kỳ quỹ đạo khoảng 11 58 phút) theo quỹ đạo xác phát tín hiệu có thơng tin xuống trái đất Các máy thu GPS nhận thông tin phép tính lượng giác tính vị trí máy thu người dùng Do xung clock nơi phát (vệ tinh) nơi thu (máy thu người dùng) khơng đồng nên có sai số thời gian trễ, dẫn đến sai số khoảng cách từ máy thu người dùng đến vệ tinh, vị trí máy thu người dùng sai theo Ngoài cịn có nhiều nguồn sai số khác sai số chủ định SA (Selective Availability) nhằm ngăn ngừa việc tự định vị xác thời gian thực thuê bao trái phép, sai số quỹ đạo vệ tinh, sai số truyền dẫn đa đường, sai số trễ tín hiệu truyền qua tầng điện ly tầng đối lưu, sai số máy thu Bên cạnh nguồn sai số trên, vấn đề truyền dẫn môi trường mật độ người sử dụng cao dễ dẫn đến tượng fading can nhiễu thu người dùng Vấn đề đặt tìm giải pháp để hạn chế nguồn can nhiễu, fading hàng loạt nguồn sai số khác Ta can thiệp vào vệ tinh để giảm nguồn sai số Nguồn sai số có kích hoạt SA, sai số quỹ đạo vệ tinh, sai số đồng hồ HVTH: Nguyễn Hữu Tài MSHV: 128520203022 Chương 1: TỔNG QUAN GVHD: PGS TS Phạm Hồng Liên vệ tinh loại bỏ hoàn toàn kỹ thuật DGPS (Differential GPS) Nguồn sai số trễ tín hiệu truyền qua tầng điện ly tầng đối lưu hạn chế kỹ thuật DGPS Nguồn sai số tượng fading can nhiễu thu giảm lọc Nguồn sai số truyền dẫn đa đường, can nhiễu vấn đề truyền dẫn tối ưu hạn chế anten thơng minh Trong [10] trình bày lý thuyết lọc thích nghi dùng giải thuật LCMV(Linearly Constrained Minimum Variance) cho dãy Anten, [8] [11] trình bày nguyên lý ứng dụng giải thuật LMS(Least Mean Square) MMSE cho dãy Anten thích nghi, [12] trình bày ứng dụng Anten thơng minh cho mạng thơng tin di động với việc tính tốn, mơ thành cơng giải thuật thích nghi LCMV, LMS, Đồng thời [14] có trình bày ứng dụng anten thơng minh cho hệ thống GPS….Trong luận văn tác giả ứng dụng giải thuật LCMV,LMS kết hợp kỹ thuật DGPS cục cho dãy Anten thích nghi để thu tín hiệu GPS đồng thời nghiên cứu giải thuật Sparse Array với mục tiêu giảm số lượng phần tử Anten đảm bảo búp sóng hẹp 1.2 Mục tiêu đề tài : - Cải thiện chất lượng tín hiệu GPS, Đảm bảo việc truyền sóng, truyền dẫn tối ưu - Hạn chế ảnh hưởng truyền dẫn đa đường, can nhiễu 1.3 Nhiệm vụ phạm vi nghiên cứu: Nhiệm vụ phần Luận văn phải thực hiện: - Tìm hiểu hệ thống định vị GPS, Tìm hiểu kỹ thuật DGPS - Tìm hiểu Anten thông minh - Thực giải thuật Multiple LCMV Beamforming băng hẹp tạo búp sử dụng hướng đến đặt trạm tham khảo hệ thống DGPS (hoặc đặt thu người sử dụng) nhằm thu nhận tín hiệu từ vệ tinh GPS HVTH: Nguyễn Hữu Tài MSHV: 128520203022 Chương 1: TỔNG QUAN GVHD: PGS TS Phạm Hồng Liên - Thực giải thuật Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo đặt trạm tham khảo (hoặc thu người sử dụng) nhằm bảo đảm truyền dẫn tối ưu trạm tham khảo thu người sử dụng - Thực giải thuật Sparse Array cho dãy Anten ULA có 12 phần tử Trong phạm vi luận văn tốt nghiệp nghiên cứu trình bày ứng dụng anten thông minh hệ thống GPS Anten thông minh dùng dãy anten thích nghi, dùng giải thuật thích nghi LCMV (Linearly Constrained Minimum Variance) băng hẹp tạo búp sử dụng hướng đến giải thuật thích nghi LMS (Least Mean Square) băng hẹp tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo 1.4 Phương pháp nghiên cứu: Luận văn sử dụng tài liệu, báo, cơng trình nghiên cứu cơng bố tác giả ngồi nước để từ đưa hướng nghiên cứu cho đề tài Luận văn sử dụng Matlab để mô giải thuật LCMV tạo búp sử dụng hướng đến nhằm minh họa đồ thị hướng tính khả triệt can nhiễu cách hướng búp sóng (main beam) hướng tín hiệu mong đợi cực tiểu công suất từ hướng khác (hướng can nhiễu nhiễu), mô giải thuật LMS tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo nhằm minh họa khả triệt can nhiễu cách hướng búp sóng hướng tín hiệu (sau tối ưu dùng chuỗi tham khảo) lái null đồ thị hướng tính hướng can nhiễu Đồng thời mô giải thuật Sparse Array việc giảm số phần tử Anten đảm bảo yêu cầu truyền dẫn tối ưu HVTH: Nguyễn Hữu Tài MSHV: 128520203022 Phụ lục GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên % P_soi_dB=0;%power of SOI in dB P_interference_dB=-20;%power of interference in dB P_noise_dB=-20;%power of noise in dB P_soi_W=10^(P_soi_dB/10);%power of SOI in W P_interference_W=10^(P_interference_dB/10);%power of interference in W P_noise_W=10^(P_noise_dB/10);%power of noise in W % simulating number-for tr=1:number_simulation % simulating number-T_hoitu=[]; % %creating gain matrix for SOI's signal and SNOI's signal reference_gain=[];%gain of reference signal for x=1:number_DOA temp=1; for y=1:number_SOI if x==SOI(y) reference_gain=[reference_gain;(sqrt(P_soi_W))* ones(1,reference_samples)]; temp=0; break; end; end; if temp==1 reference_gain=[reference_gain;(sqrt(P_interference_W))* ones(1,reference_samples)]; end; end; % S=steering_matrix_ULA(N,DOA,d_divide_lampda); % LMS -w=zeros(N,number_SOI);%Nxnumber_SOI (Nx3) e=zeros(number_SOI,reference_samples);%average error between output of %the antenna array and the reference signal after simulations MSE=zeros(number_SOI,reference_samples);%average of mean-squared error y=zeros(number_SOI,reference_samples);%average of output of the array %Rm=round(rand(number_DOA,reference_samples))*2-1; %reference BPSK signal modulation Rm=sign(randn(number_DOA,reference_samples));%9x1000 Rs=reference_gain.*Rm;%9x1000 noise=(sqrt(P_noise_W))*randc(N,reference_samples);%white noise:Nx1000 U=S*Rs+noise;%received signals at antenna array(Nx1000) R=U*U'/reference_samples;%correlation matrix(NxN) muy_max=1/trace(R); muy=0.5*muy_max; for k=1:number_SOI R_training=Rs(SOI(k),1:reference_samples);%training sequence:1x1000 w_weight_temp=[]; p_watt_temp=0; for in=1:reference_samples%repeat 1000 times y(k,in)=w(:,k)'*U(:,in);%antenna array output: constant e(k,in)=R_training(in)-y(k,in);%estimation error: constant %e(k,in)=R_training(in)-w(:,k)'*U(:,in);%e=d-w'*u MSE(k,in)=e(k,in)*conj(e(k,in)); %MSE(k,in)=e(k,in)*e(k,in)'; %w(:,k)=w(:,k)+2*muy*U(:,in)*e(k,in)';%tap-weight adaptation: HVTH: Nguyễn Hữu Tài 110 MSHV: 128520203022 Phụ lục GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên w(:,k)=w(:,k)+2*muy*U(:,in)*conj(e(k,in));%tapweight adaptation w_weight_temp(:,in)=w(:,k);%Nxreference_samples after for(in) p_watt(k,in)=w(:,k)'*R*w(:,k);%constant p_watt_temp=p_watt_temp+p_watt(k,in);%constant end; % if k==1 w_weight1=w_weight_temp; p_watt1=p_watt_temp/reference_samples; end; if k==2 w_weight2=w_weight_temp; p_watt2=p_watt_temp/reference_samples; end; if k==3 w_weight3=w_weight_temp; p_watt3=p_watt_temp/reference_samples; end; if k==4 w_weight4=w_weight_temp; p_watt4=p_watt_temp/reference_samples; end; end;%for k w_weight1_total=w_weight1_total+w_weight1; w_weight2_total=w_weight2_total+w_weight2; w_weight3_total=w_weight3_total+w_weight3; w_weight4_total=w_weight4_total+w_weight4; p_watt1_total=p_watt1_total+p_watt1; p_watt2_total=p_watt2_total+p_watt2; p_watt3_total=p_watt3_total+p_watt3; p_watt4_total=p_watt4_total+p_watt4; error_total=error_total+e; MSE_total=MSE_total+MSE; % simulating number-end;%number_simulation % simulating number-w_weight1_average=w_weight1_total/number_simulation; w_weight2_average=w_weight2_total/number_simulation; w_weight3_average=w_weight3_total/number_simulation; w_weight4_average=w_weight4_total/number_simulation; p_watt1_average=p_watt1_total/number_simulation; p_watt2_average=p_watt2_total/number_simulation; p_watt3_average=p_watt3_total/number_simulation; p_watt4_average=p_watt4_total/number_simulation; p_watt1_average p_watt2_average p_watt3_average p_watt4_average error_average=error_total/number_simulation; MSE_average=MSE_total/number_simulation; colors=['r','b','m','g','c','y','k','r ','b ','m ','g ','c ', 'y ','k ']; % figure(1); hold on; for in=1:number_SOI MSE_abs=abs(MSE_average(in,:)); HVTH: Nguyễn Hữu Tài 111 MSHV: 128520203022 Phụ lục GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên plot(reference_samples_range,20*log10(MSE_abs),colors(in)); end; hold off; title(['LMS Algorithm for adaptive beamformer, muy = ' num2str(muy) ', number of antennas = ' num2str(N)]); xlabel('Iteration Number'); ylabel('Mean-Squared Error in dB'); grid % beam=zeros(1,number_points_angle);%beam performance after simulations beam_dB=[]; figure(2); hold on; beam_DOA=[]; beam_DOA_dB=[]; for in=1:number_SOI for h=1:number_points_angle angle=angle_range(1)+(h-1)*angle_step; s_vec=[]; for k=0:(N-1) s=exp(-j*2*pi*d_divide_lampda*k*sin(angle*pi/180)); s_vec=[s_vec;s]; end; %beam(h)=abs(s_vec'*conj(w(:,in)));%beam performance beam(h)=abs((w(:,in))'*s_vec);%beam performance % beam_dB(in,h)=10*log10(beam(h)); % for x=1:number_DOA if DOA(x)==angle beam_DOA(in,x)=beam(h); beam_DOA_dB(in,x)=beam_dB(in,h); end; end; % end; plot(angle_range_divided,beam,colors(in)); end; beam_DOA; beam_DOA_dB; hold off; title(['LMS Algorithm, DOA[degrees]: ' num2str(DOA) ' ; SOI at ' num2str(DOA(SOI)) '; SNOI at others']); ylabel('Beam pattern'); xlabel('Angles [degrees]'); grid % figure(3); hold on; for in=1:number_SOI plot(angle_range_divided,beam_dB(in,:),colors(in)); end; hold off; title(['LMS Algorithm, DOA[degrees]: ' num2str(DOA) ' ; SOI at ' num2str(DOA(SOI)) '; SNOI at others']); ylabel('Beam pattern (dB)'); xlabel('Angles [degrees]'); HVTH: Nguyễn Hữu Tài 112 MSHV: 128520203022 Phụ lục GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên grid % for in=1:number_SOI figure(in+3); hold on; plot(angle_range_divided,beam_dB(in,:),colors(in)); hold off; title(['LMS Algorithm, DOA[degrees]: ' num2str(DOA) ' ; SOI at ' num2str(DOA(SOI(in))) '; SNOI at others']); ylabel('Beam pattern (dB)'); xlabel('Angles [degrees]'); grid end; % INTERFERENCE_mean=[]; INTERFERENCE_dB_mean=[]; for x=1:number_SOI beam_INTERFERENCE=0; beam_INTERFERENCE_dB=0; for y=1:number_DOA if y==SOI(x) beam_SOI(x)=beam_DOA(x,y); beam_SOI_dB(x)=beam_DOA_dB(x,y); else beam_INTERFERENCE=beam_INTERFERENCE+beam_DOA(x,y); beam_INTERFERENCE_dB=beam_INTERFERENCE_dB+beam_DOA_dB(x,y); end; end; INTERFERENCE_mean(x)=beam_INTERFERENCE/(number_DOA-1); INTERFERENCE_dB_mean(x)=beam_INTERFERENCE_dB/(number_DOA-1); end; beam_SOI;%1x3 beam_SOI_dB;%1x3 INTERFERENCE_mean;%1x3 INTERFERENCE_dB_mean;%1x3 % INTERFERENCE=INTERFERENCE_mean(position_INTERFERENCE); SIR_OUT=beam_SOI(1)/INTERFERENCE;%constant SIR_OUT_dB=10*log10(SIR_OUT);%constant SIR_IN=P_soi_W/P_interference_W;%constant SIR_IN_dB=10*log10(SIR_IN);%constant Gain=SIR_OUT/SIR_IN;%constant (times) Gain_dB=SIR_OUT_dB - SIR_IN_dB;%constant (dB) % beam_DOA beam_DOA_dB beam_SOI beam_SOI_dB INTERFERENCE_mean INTERFERENCE_dB_mean SIR_OUT SIR_OUT_dB SIR_IN SIR_IN_dB Gain Gain_dB % - HVTH: Nguyễn Hữu Tài 113 MSHV: 128520203022 Phụ lục GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên figure(8); hold on; for in=1:N count=0; for n=1:reference_samples if abs(abs(w_weight1_average(in,n))-abs(w_weight1_average( in,reference_samples)))0.001 count=0; T_hoitu1(in,:)=reference_samples; end; end; plot(reference_samples_range,w_weight1_average(in,:),colors(in)); end; T_hoitu1 T_hoitu1_max=T_hoitu1(1,1); for x=2:N if T_hoitu1(x,1)>T_hoitu1_max T_hoitu1_max=T_hoitu1(x,1); end; end; T_hoitu1_max hold off; title(['LMS Algorithm, number of antenna=' num2str(N) '; muy-max=' num2str(muy_max) '; muy=' num2str(muy)]); ylabel(['Weight value of SOI(1) = ' num2str(DOA(SOI(1))) ' [degrees]']); xlabel('number of samples'); grid % figure(9); hold on; for in=1:N count=0; for n=1:reference_samples if abs(abs(w_weight2_average(in,n))-abs(w_weight2_average( in,reference_samples)))0.001 count=0; T_hoitu2(in,:)=reference_samples; end; end; plot(reference_samples_range,w_weight2_average(in,:),colors(in)); end; T_hoitu2 T_hoitu2_max=T_hoitu2(1,1); HVTH: Nguyễn Hữu Tài 114 MSHV: 128520203022 Phụ lục GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên for x=2:N if T_hoitu2(x,1)>T_hoitu2_max T_hoitu2_max=T_hoitu2(x,1); end; end; T_hoitu2_max hold off; title(['LMS Algorithm, number of antenna=' num2str(N) '; muy-max=' num2str(muy_max) '; muy=' num2str(muy)]); ylabel(['Weight value of SOI(2) = ' num2str(DOA(SOI(2))) ' [degrees]' ]); xlabel('number of samples'); grid % figure(10); hold on; for in=1:N count=0; for n=1:reference_samples if abs(abs(w_weight3_average(in,n))-abs(w_weight3_average( in,reference_samples)))0.001 count=0; T_hoitu3(in,:)=reference_samples; end; end; plot(reference_samples_range,w_weight3_average(in,:),colors(in)); end; T_hoitu3 T_hoitu3_max=T_hoitu3(1,1); for x=2:N if T_hoitu3(x,1)>T_hoitu3_max T_hoitu3_max=T_hoitu3(x,1); end; end; T_hoitu3_max hold off; title(['LMS Algorithm, number of antenna=' num2str(N) '; muy-max=' num2str(muy_max) '; muy=' num2str(muy)]); ylabel(['Weight value of SOI(3) = ' num2str(DOA(SOI(3))) ' [degrees]' ]); xlabel('number of samples'); grid % figure(11); hold on; for in=1:N count=0; for n=1:reference_samples if abs(abs(w_weight4_average(in,n))-abs(w_weight4_average( in,reference_samples)))0.001 count=0; T_hoitu4(in,:)=reference_samples; end; end; plot(reference_samples_range,w_weight4_average(in,:),colors(in)); end; T_hoitu4 T_hoitu4_max=T_hoitu4(1,1); for x=2:N if T_hoitu4(x,1)>T_hoitu4_max T_hoitu4_max=T_hoitu4(x,1); end; end; T_hoitu4_max hold off; title(['LMS Algorithm, number of antenna=' num2str(N) '; muy-max=' num2str(muy_max) '; muy=' num2str(muy)]); ylabel(['Weight value of SOI(4) = ' num2str(DOA(SOI(4))) ' [degrees]' ]); xlabel('number of samples'); grid % time=toc;%stop timer to count the time consuming fprintf('Time consuming (seconds) %6.2f \n',(time)); Hàm T_hoitu_Muy_N_Gain_LMS %Matlab code:unconstrained multi LMS beamforming for a smart antenna array function [w]=T_hoitu_Muy_N_Gain_LMS tic;%start timer to count the time consuming % number_simulation=100;%total time for simulation reference_samples=1000;%total samples of reference signal for simulation % position_INTERFERENCE=7; position_SOI=2;%second position in DOA Gain=[]; Gain_dB=[]; Gain_dB_convert=[]; % DOA=[-80 -60 -40 -20 20 40 60 80];%angles of signals arriving at array number_DOA=length(DOA);%number elements in DOA SOI=[2 8];%elements of SOI are positions in DOA: SOI(2,4,6)=-60;-20;20 number_SOI=length(SOI);%number elements in SOI d_divide_lampda=0.5;%ratio between antenna element's space and wavelength d=0.095;%space between each element of antenna array (m) number_points_angle=361;%180 divides 0.5, consisting of '0' % P_soi_dB=0;%power of SOI in dB P_interference_dB=-20;%power of interference in dB P_noise_dB=-20;%power of noise in dB P_soi_W=10^(P_soi_dB/10);%power of SOI in W HVTH: Nguyễn Hữu Tài 116 MSHV: 128520203022 Phụ lục GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên P_interference_W=10^(P_interference_dB/10);%power of interference in W P_noise_W=10^(P_noise_dB/10);%power of noise in W % %creating gain matrix for SOI's signal and SNOI's signal reference_gain=[];%gain of reference signal for x=1:number_DOA temp=1; for y=1:number_SOI if x==SOI(y) reference_gain=[reference_gain;(sqrt(P_soi_W))* ones(1,reference_samples)]; temp=0; break; end; end; if temp==1 reference_gain=[reference_gain;(sqrt(P_interference_W))* ones(1,reference_samples)]; end; end; % for N=1:20 for i_muy=1:10 % Vector_Weight_SOI_average=[]; w_weight1_total=zeros(N,reference_samples); w_weight2_total=zeros(N,reference_samples); w_weight3_total=zeros(N,reference_samples); w_weight4_total=zeros(N,reference_samples); p_watt1_total=0; p_watt2_total=0; p_watt3_total=0; p_watt4_total=0; MSE_total=zeros(number_SOI,reference_samples);%sum of mean-squared error error_total=zeros(number_SOI,reference_samples);%sum of error between %output of the antenna array and the reference signal after simulations % simulating number -for tr=1:number_simulation % simulating number -S=steering_matrix_ULA(N,DOA,d_divide_lampda); % LMS -w=zeros(N,number_SOI);%Nxnumber_SOI (20x3) e=zeros(number_SOI,reference_samples);%average error between output of %the antenna array and the reference signal after simulations MSE=zeros(number_SOI,reference_samples);%average of mean-squared error y=zeros(number_SOI,reference_samples);%average of output of the array %Rm=round(rand(number_DOA,reference_samples))*2-1; %reference BPSK signal modulation Rm=sign(randn(number_DOA,reference_samples)); Rs=reference_gain.*Rm; noise=(sqrt(P_noise_W))*randc(N,reference_samples);%white noise U=S*Rs+noise;%received signals at antenna array(Nxreference_samples) R=U*U'/reference_samples;%correlation matrix(Nxreference_samples) muy_max=1/trace(R); % muy=0.1*i_muy*muy_max; % - HVTH: Nguyễn Hữu Tài 117 MSHV: 128520203022 Phụ lục GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên for k=1:number_SOI R_training=Rs(SOI(k),1:reference_samples);%training sequence:1x1000 w_weight_temp=[]; p_watt_temp=0; for in=1:reference_samples%repeat 1000 times y(k,in)=w(:,k)'*U(:,in);%antenna array output: constant e(k,in)=R_training(in)-y(k,in);%estimation error: constant %e(k,in)=R_training(in)-w(:,k)'*U(:,in);%e=d-w'*u MSE(k,in)=e(k,in)*e(k,in)'; w(:,k)=w(:,k)+2*muy*U(:,in)*conj(e(k,in));%tap-weight adaptation: %w(:,k)=w(:,k)+2*muy*U(:,in)*e(k,in)';%tap-weight adaptation: w_weight_temp(:,in)=w(:,k);%Nxreference_samples after for(in) p_watt(k,in)=w(:,k)'*R*w(:,k);%constant p_watt_temp=p_watt_temp+p_watt(k,in);%constant end; % if k==1 w_weight1=w_weight_temp; p_watt1=p_watt_temp/reference_samples; end; if k==2 w_weight2=w_weight_temp; p_watt2=p_watt_temp/reference_samples; end; if k==3 w_weight3=w_weight_temp; p_watt3=p_watt_temp/reference_samples; end; if k==4 w_weight4=w_weight_temp; p_watt4=p_watt_temp/reference_samples; end; end;%for k w_weight1_total=w_weight1_total+w_weight1; w_weight2_total=w_weight2_total+w_weight2; w_weight3_total=w_weight3_total+w_weight3; w_weight4_total=w_weight4_total+w_weight4; p_watt1_total=p_watt1_total+p_watt1; p_watt2_total=p_watt2_total+p_watt2; p_watt3_total=p_watt3_total+p_watt3; p_watt4_total=p_watt4_total+p_watt4; error_total=error_total+e; MSE_total=MSE_total+MSE; % simulating number -end;%number_simulation % simulating number -w_weight1_average=w_weight1_total/number_simulation; w_weight2_average=w_weight2_total/number_simulation; w_weight3_average=w_weight3_total/number_simulation; w_weight4_average=w_weight4_total/number_simulation; p_watt1_average=p_watt1_total/number_simulation; p_watt2_average=p_watt2_total/number_simulation; p_watt3_average=p_watt3_total/number_simulation; p_watt4_average=p_watt4_total/number_simulation; error_average=error_total/number_simulation; MSE_average=MSE_total/number_simulation; angle_range=[-90 90]; HVTH: Nguyễn Hữu Tài 118 MSHV: 128520203022 Phụ lục GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên angle_step=(angle_range(2)-angle_range(1))/(number_points_angle-1); % beam=zeros(1,number_points_angle);%beam performance after simulations beam_dB=[]; beam_DOA=[]; beam_DOA_dB=[]; for in=1:number_SOI for h=1:number_points_angle angle=angle_range(1) + (h-1)*angle_step; s_vec=[]; for k=0:(N-1) s=exp(-j*2*pi*d_divide_lampda*sin(angle*pi/180)*k); s_vec=[s_vec;s]; end; beam(h)=abs((w(:,in))'*s_vec);%beam performance % beam_dB(in,h)=10*log10(beam(h)); % for x=1:number_DOA if DOA(x)==angle beam_DOA(in,x)=beam(h); beam_DOA_dB(in,x)=beam_dB(in,h); end; end; % end; end; beam_DOA;%3x9 beam_DOA_dB;%3x9 % INTERFERENCE_mean=[]; INTERFERENCE_dB_mean=[]; for x=1:number_SOI beam_INTERFERENCE=0; beam_INTERFERENCE_dB=0; for y=1:number_DOA if y==SOI(x) beam_SOI(x)=beam_DOA(x,y); beam_SOI_dB(x)=beam_DOA_dB(x,y); else beam_INTERFERENCE=beam_INTERFERENCE+beam_DOA(x,y); beam_INTERFERENCE_dB=beam_INTERFERENCE_dB+beam_DOA_dB(x,y); end; end; INTERFERENCE_mean(x)=beam_INTERFERENCE/(number_DOA-1); INTERFERENCE_dB_mean(x)=beam_INTERFERENCE_dB/(number_DOA-1); end; beam_SOI;%1x3 beam_SOI_dB;%1x3 INTERFERENCE_mean;%1x3 INTERFERENCE_dB_mean;%1x3 % %INTERFERENCE=INTERFERENCE_mean(position_INTERFERENCE); INTERFERENCE_dB=P_interference_dB+beam_DOA_dB(position_SOI, position_INTERFERENCE);%interference at DOA(position_INTERFERENCE) INTERFERENCE=10^(INTERFERENCE_dB/10); SIGNAL=beam_SOI(position_SOI);%signal at a DOA HVTH: Nguyễn Hữu Tài 119 MSHV: 128520203022 Phụ lục GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên % SIR_OUT=SIGNAL/INTERFERENCE;%constant SIR_OUT_dB=10*log10(SIR_OUT);%constant SIR_IN=P_soi_W/P_interference_W;%constant SIR_IN_dB=10*log10(SIR_IN);%constant Gain(N,i_muy)=SIR_OUT/SIR_IN;%constant (times) Gain_dB(N,i_muy)=SIR_OUT_dB - SIR_IN_dB;%constant (dB) % for in=1:N count=0; for n=1:reference_samples if abs(abs(w_weight1_average(in,n))-abs(w_weight1_average( in,reference_samples)))0.001 count=0; T_hoitu1(in,:)=reference_samples; end; end; end; T_hoitu1; T_hoitu1_max=T_hoitu1(1,1); for x=2:N if T_hoitu1(x,1)>T_hoitu1_max T_hoitu1_max=T_hoitu1(x,1); end; end; T_hoitu1_max; T1(N,i_muy)=T_hoitu1_max % for in=1:N count=0; for n=1:reference_samples if abs(abs(w_weight2_average(in,n))-abs(w_weight2_average( in,reference_samples)))0.001 count=0; T_hoitu2(in,:)=reference_samples; end; end; end; T_hoitu2; T_hoitu2_max=T_hoitu2(1,1); for x=2:N if T_hoitu2(x,1)>T_hoitu2_max T_hoitu2_max=T_hoitu2(x,1); HVTH: Nguyễn Hữu Tài 120 MSHV: 128520203022 Phụ lục GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên end; end; T_hoitu2_max; T2(N,i_muy)=T_hoitu2_max % for in=1:N count=0; for n=1:reference_samples if abs(abs(w_weight3_average(in,n))-abs(w_weight3_average( in,reference_samples)))0.001 count=0; T_hoitu3(in,:)=reference_samples; end; end; end; T_hoitu3; T_hoitu3_max=T_hoitu3(1,1); for x=2:N if T_hoitu3(x,1)>T_hoitu3_max T_hoitu3_max=T_hoitu3(x,1); end; end; T_hoitu3_max; T3(N,i_muy)=T_hoitu3_max % for in=1:N count=0; for n=1:reference_samples if abs(abs(w_weight4_average(in,n))-abs(w_weight4_average( in,reference_samples)))0.001 count=0; T_hoitu4(in,:)=reference_samples; end; end; end; T_hoitu4; T_hoitu4_max=T_hoitu4(1,1); for x=2:N if T_hoitu4(x,1)>T_hoitu4_max T_hoitu4_max=T_hoitu4(x,1); end; end; T_hoitu4_max; HVTH: Nguyễn Hữu Tài 121 MSHV: 128520203022 Phụ lục GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên T4(N,i_muy)=T_hoitu4_max % end;%end i_muy end;%end N % Gain%Nxi_muy Gain_dB%Nxi_muy % X=[]; Y=[]; Z1=[]; Z2=[]; Z3=[]; Z4=[]; Z5=[]; Z6=[]; for x=1:20 for y=1:10 X(x,y)=0.1*y*muy_max; end; end; X for x=1:20 for y=1:10 Y(x,y)=x; end; end; Y Z1=T1; Z2=T2; Z3=T3; Z4=T4; Z5=Gain Z6=Gain_dB % -figure(1); hold on; stem3(X,Y,Z1,'fill')%plot Z(i,j) to X(i,j) and Y(i,j) view(-25,30) hold off; title(['Unconstrained-multi-LMS with 20 elements,10 step-size values']); xlabel('Muy=0.1*i*Muy-max, i=1:10'); ylabel('antenna elements: N=1:20'); zlabel(['samples of reference signal: SOI(1)=' num2str(DOA(SOI(1))) 'degree']); grid % -figure(2); hold on; stem3(X,Y,Z2,'fill')%plot Z(i,j) to X(i,j) and Y(i,j) view(-25,30) hold off; title('Unconstrained-multi-LMS with 20 elements,10 step-size values'); xlabel('Muy=0.1*i*Muy-max, i=1:10'); ylabel('antenna elements: N=1:20'); zlabel(['samples of reference signal: SOI(2)=' num2str(DOA(SOI(2))) 'degree']); HVTH: Nguyễn Hữu Tài 122 MSHV: 128520203022 Phụ lục GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên grid % -figure(3); hold on; stem3(X,Y,Z3,'fill')%plot Z(i,j) to X(i,j) and Y(i,j) view(-25,30) hold off; title(['Unconstrained-multi-LMS with 20 elements,10 step-size values']); xlabel('Muy=0.1*i*Muy-max, i=1:10'); ylabel('antenna elements: N=1:20'); zlabel(['samples of reference signal: SOI(3)=' num2str(DOA(SOI(3))) 'degree']); grid % -figure(4); hold on; stem3(X,Y,Z4,'fill')%plot Z(i,j) to X(i,j) and Y(i,j) view(-25,30) hold off; title(['Unconstrained-multi-LMS with 20 elements,10 step-size values']); xlabel('Muy=0.1*i*Muy-max, i=1:10'); ylabel('antenna elements: N=1:20'); zlabel(['samples of reference signal: SOI(4)=' num2str(DOA(SOI(4))) 'degree']); grid % -figure(5); hold on; stem3(X,Y,Z5,'fill')%plot Z(i,j) to X(i,j) and Y(i,j) view(-25,30) hold off; title(['Unconstrained-multi-LMS with 20 elements,10 step-size values']); xlabel('Muy=0.1*i*Muy-max, i=1:10'); ylabel('antenna elements: N=1:20'); zlabel(['Gain at DOA=' num2str(DOA(SOI(position_SOI))) 'degree']); grid % -figure(6); hold on; stem3(X,Y,Z6,'fill')%plot Z(i,j) to X(i,j) and Y(i,j) view(-25,30) hold off; title(['Unconstrained-multi-LMS with 20 elements,10 step-size values']); xlabel('Muy=0.1*i*Muy-max, i=1:10'); ylabel('antenna elements: N=1:20'); zlabel(['Gain (dB) at DOA=' num2str(DOA(SOI(position_SOI))) 'degree']); grid % -time=toc;%stop timer to count the time consuming fprintf('Time consuming (seconds) %6.2f \n',(time)); HVTH: Nguyễn Hữu Tài 123 MSHV: 128520203022 S K L 0 ... Chƣơng ỨNG DỤNG ANTEN THÔNG MINH TRONG HỆ THỐNG GPS VÀ DGPS 3.1 Ứng dụng anten thông minh hệ thống GPS DGPS 47 3.1.1 Ứng dụng giải thu? ??t LCMV băng hẹp tạo búp sử dụng hướng đến anten thông minh. .. HỌC SƯ PHẠM KỸ THU? ??T THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HỮU TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ANTEN THƠNG MINH TẠI PHÍA THU TÍN HIỆU GPS KỸ THU? ??T ĐIỆN TỬ - 60 52 70 Tp Hồ Chí minh, tháng 10/2014... thu tín hiệu GPS ([7]) Bộ thu tín hiệu GPS có chức thu nhận tín hiệu từ vệ tinh GPS phân biệt tín hiệu thu? ??c vệ tinh giải mã tín hiệu vệ tinh để xác định vị trí, tốc độ thời điểm truyền tín hiệu