Nghiên cứu các tham số ảnh hưởng tới thuật toán MUSIC

Nghiên cứu các tham số ảnh hưởng tới thuật toán MUSIC

1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hoàng Văn DanhNGHIÊN CỨU CÁC THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THUẬT TOÁN MUSIC.KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông.HÀ NỘI - 2008 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hoàng Văn DanhNGHIÊN CỨU CÁC THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THUẬT TOÁN MUSIC.KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông.Cán bộ hướng dẫn: TH.S. Trần Thị Thúy Quỳnh.HÀ NỘI - 2008 TÓM TẮT NỘI DUNGLuận văn này nghiên cứu tới các tham số ảnh hưởng đến thuật toán music, là một thuật toán phổ biến dùng để xác định hướng sóng tới từ các nguồn tín hiệu. Các tham số nghiên cứu được đặt ra ở đây bao gồm : tỉ số giữa khoảng cách giữa các phần tử trong anten thu chia cho bước sóng sử dụng; mối tương quan giữa số phần tử trong mảng và số nguồn tín hiệu tối đa có thể xác định được hướng tới; độ phân giải hay độ chênh lệch góc nhỏ nhất mà thuật toán music có thể phân biệt được; ảnh hưởng khi nguồn sóng đến ở góc 90 độ hoặc lân cận; ảnh hưởng khi các nguồn tín hiệu tương quan với nhau. Việc nghiên cứu được tiến hành bằng cách xây dựng nên thuật toán music qua việc lập trình trên matlab và thay đổi các tham số trên và quan sát sự thay đổi tương ứng của kết quả và từ đó tìm ra qui luật biến đổi của kết quả thuật toán khi các thông số biến đổi. Luận văn này cũng đưa ra một số giải pháp để thuật toán music có thể thực hiện được chính xác trong điều kiện áp dụng vào tình hình thực tế. Cuối cùng, luận văn nêu ra một số lĩnh vực có khả năng ứng dụng anten có sử dụng thuật toán music trong thực tế ở Việt Nam.3 MỤC LỤC :Hoàng Văn Danh . 1 HÀ NỘI - 2008 . 1 Hoàng Văn Danh . 2 HÀ NỘI - 2008 . 2 4 MỞ ĐẦUNgày nay, khi lĩnh vực thông tin truyền thông ngày càng phát triển, các loại anten có xử lý tín hiệu được sử dụng ngày càng phổ biến đem lại những ích lợi trong nhiều lĩnh vực ứng dụng như thông tin di động, truyền hình, thông tin vệ tinh, xác định vị trí vật thể… Một trong những hướng phát triển của kĩ thuật xử lý tín hiệu trong anten là xác định hướng các sóng tới, xa hơn nữa là từ các hướng sóng tới này xác định được vị trí các nguồn phát sóng và từ đó có những biện pháp xử lý tùy thuộc vào mục đích xác định như điều chỉnh búp sóng anten, điều chỉnh vị trí anten…. Có nhiều thuật toán được đề ra để xử lý phát hiện ra sóng tới như thuật toán ước lượng phổ, thuật toán khả năng lớn nhất, thuật toán MUSIC…Trong đó thuật toán được dùng phổ biến nhất hiện nay chính là thuật toán MUSIC với những ưu điểm vượt trội như : Độ chính xác cao, phân giải được các nguồn tốt, áp dụng phù hợp trong nhiều hoàn cảnh. Tuy nhiên,những điều kiện hoàn cảnh khác nhau sẽ gây ảnh hưởng nhất định đến kết quả của thuật toán MUSIC. Bài luận văn này nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các thông số hay thay đổi thường gặp trong thực tế qua đó có thể giúp cho việc thiết kế, xử lý hệ thống anten hiệu quả hơn, phù hợp cho việc áp dụng trong các ứng dụng thực tế với điều kiện hoàn cảnh biến đổi hơn. Các thông số được đưa ra nghiên cứu ở đây bao gồm : tương quan giữa khoảng cách các phần tử trong hệ anten tuyến tính với bước sóng sử dụng ; tương quan giữa số phần tử mảng anten và số nguồn cần xác định hướng sóng tới ; độ phân giải của thuật toán ; trường hợp có nguồn nằm ở góc 90 độ hoặc những góc lân cận đấy ; trường hợp các nguồn cần xác định hướng sóng đến có tương quan với nhau. Phương pháp được sử dụng trong bài luận văn này là lập trình matlab mô phỏng hệ thống xử lý tìm hướng sóng đến MUSIC bao gồm giả lập các nguồn sóng tới, sau đó thay đổi các thông số cần nghiên cứu và xem xét sự thay đổi tương ứng kết quả của thuật toán để từ đó tìm ra được những qui luật biến đổi cũng như sự phụ thuộc của kết quả thuật toán khi thay đổi các thông số. Việc cuối cùng sau khi tìm ra được những qui luật biến đổi là đề xuất những biện pháp khi thiết kế, những chú ý 5 để cho thuật toán MUSIC có thể được ứng dụng phù hợp với điều kiện thực tế. Trong phần luận văn này cũng nêu ra một số lĩnh vực có tiềm năng to lớn trong việc ứng dụng anten thông minh có sử dụng thuật toán tìm hướng sóng đến MUSIC.6 CHƯƠNG I KHÁI QUÁT VỀ ANTEN THÔNG MINH.1.1. Mở đầu :Sóng điện từ truyền trong không gian tới điểm thu, ngoài các thông tin biến đổi theo thời gian còn mang các thông tin về đặc tính không gian, vì thế ta có thể coi đó là dạng tín hiệu không gian – thời gian.Khi sử dụng một anten thu đơn giản, ví dụ một phần tử đơn độc thì bản thân tín hiệu nhận được ở đầu ra anten sẽ không phản ánh được đặc tính không gian của sóng tới. Còn khi sử dụng một hệ anten gồm nhiều phần tử sắp xếp trong không gian thì việc xử lý các tín hiệu nhận được từ mỗi phần tử sẽ cho phép khai thác được cả lượng tin tức mang đặc tính không gian của sóng đó.Hệ anten, trong đó có kết hợp sử dụng các phương thức xử lý tín hiệu sẽ làm tăng khả năng của hệ thống trong việc thu nhận thông tin, và ở mức độ cao hơn có thể đáp ứng một cách linh hoạt những biến động có thể xảy ra để duy trì các mục tiêu đã đặt ra cho hệ thống. Ta gọi đó là hệ anten có xử lý tín hiệu, hay ở mức độ cao hơn là an ten thông minh.Ngày nay, thuật ngữ anten thông minh được sử dụng khá rộng rãi để chỉ các hệ anten có xử lý tín hiệu do các phương thức và các thuật toán xử lý tín hiệu đã đạt tới trình độ cao và đạt được hiệu quả rõ rệt.Một anten thông minh (Smart Antennas) bao gồm nhiều phần tử anten. Tín hiệu đến các phần tử này được tính toán và xử lý giúp anten xác định được hướng của nguồn tín hiệu, tập trung bức xạ theo hướng mong muốn và tự điều chỉnh theo sự thay đổi của môi trường tín hiệu. Công việc tính toán này đòi hỏi thực hiện theo thời gian thực, để Anten thông minh có thể bám theo nguồn tín hiệu khi nó chuyển động. Vì vậy, Anten thông minh còn được gọi bằng một tên khác là “Anten thích 7 nghi” (Adaptive Antennas).Với tính chất như vậy, Anten thông minh có khả năng giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường và can nhiễu.Anten thông minh là một trong những xu hướng được quan tâm nhiều trong những năm gần đây. Với ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, nó có thể cải thiện chất lượng tín hiệu, tăng dung lượng, mở rộng phạm vi hoạt động của hệ thống. Với ứng dụng trong các hệ thống rađa, định vị, anten thông minh cho phép nâng cao khả năng phát hiện mục tiêu, nâng cao độ chính xác xác định tọa độ và tạo thêm những khả năng mới mà các hệ thống bình thường không có được.1.2. Nguyên lý hoạt động :Công nghệ Anten thông minh giống như việc định hướng âm thanh của con người. Con người có hai cái tai để nghe (thu tín hiệu), mồm để nói (phát tín hiệu) và bộ não để suy nghĩ - định hướng (xử lý, phân tích tín hiệu).Hãy tưởng tượng bạn đang đứng ở một cánh đồng và nhắm mắt lại. Một người ở đằng xa nói với bạn. Để nghe rõ nhất người đó nói gì thì bạn phải quay về phía người đó. Bạn có thể xác định vị trí của người nói nhờ vào sự khác nhau về trễ của âm thanh mà hai tai của bạn nghe thấy. Bộ não sẽ phân tích sự khác nhau này và chỉ cho bạn chính xác hướng của nguồn âm phát ra. Như vậy bạn có thể quay đúng về hướng để bạn và người nói chuyện cùng có thể nghe rõ nhất. Lời nói của bạn phát ra đúng với hướng của nguồn âm thanh mà bạn nghe được Một trường hợp khác, bạn đang đứng ở trong một hội trường đông người. Phía bên kia của hội trường có một người bạn đang cố gắng nói chuyện với bạn bằng cách gọi to tên của bạn. Bạn có thể nghe được người đó nói gì vì tiếng gọi đủ lớn để bạn nghe thấy và một điều rất quan trọng là bạn nhận ra tên của mình (đó chính là mã số của bạn). Não của bạn sẽ giải mã thông tin từ một mớ những tạp âm ồn ào. Bạn quay về phía tiếng gọi và nói to để trả lời. Bằng cách này, bạn đã cộng thêm tiếng ồn vào trong những âm thanh của hội trường và làm cho những cuộc hội thoại của những người khác rất khó nghe.Thật tốt cho tất cả mọi người đang nói chuyện trong hội trường nếu bạn có thể nói chuyện với bạn của mình mà không cần phải nói to. Chỉ có thể thực hiện điều này nếu người bạn của bạn được trang bị thiết 8 bị nghe lén với độ nhạy cao cùng với micro định hướng. Khi đó bạn chỉ cần thì thầm cũng đủ cho bạn của mình nghe thấy.Một Anten thông minh bao gồm nhiều Anten thành phần. Cũng giống như cách phân tích của bộ não về sự khác nhau giữa âm thanh thu được ở hai tai, những tín hiệu phát ra từ những máy di động đến Anten thành phần được phân tích giúp xác định hướng của nguồn tín hiệu. Trên thực tế thì các Anten thành phần được phân bố tĩnh. Việc xác định được hướng của nguồn tín hiệu là kết quả của việc tính toán tín hiệu nhận được từ những Anten thành phần, và không có phần nào của Anten phải quay đổi hướng cả.Anten thông minh sử dụng các phép tính đơn giản, nhờ đó giúp giúp cho những gói tin có thể truyền đến nguồn tín hiệu trong một búp sóng hẹp theo đúng hướng từ nguồn tín hiệu phát ra đến nơi nhận, việc này giúp cho năng lượng sóng truyền đi theo một hướng tập trung, nhờ đó giảm thiểu năng lượng ở máy phát mà nơi thu vẫn có thể nhận được tín hiệu rõ ràng. Sử dụng Anten thông minh để phát tín hiệu rất giống như việc chiếu đèn vào các diễn viên trên sân khấu. Nếu như đèn chiếu rộng thì rất ít ánh sáng chiếu đúng vào người diễn viên. Bằng một đèn chiếu tập trung, hầu như toàn bộ ánh sáng chiếu đúng phần cần thiết còn những khu vực còn lại thì tối, tăng hiệu dụng công suất phát sáng. Công việc tính toán phức tạp và đòi hỏi thời gian đáp ứng nhanh dẫn đến việc phải gia tăng đáng kể công việc xử lý ở tại trạm phát sóng.Lợi ích của việc sử dụng Anten thông minh : Anten thông minh đóng góp hai lợi ích chính đối với đường truyền vô tuyến là tối ưu hoá công suất, giảm nhiễu đường truyền. Bởi vì Anten thông minh đặc biệt hiệu quả trong việc tăng công suất tín hiệu thu được và giảm công suất phát đến ngưỡng nhỏ nhất. Bên cạnh đó, nó được sử dụng giúp tăng dung lượng đường truyền. Việc giảm đáng kể công suất phát ra chính là giảm sự can nhiễu trong một vùng phủ sóng của trạm phát (làm tăng mức tín hiệu trên tạp âm - SNIR).1.3. Ứng dụng của anten thông minh :9 1.3.1. Anten thông minh trong mạng GSM : Đã có một số loại Anten thông minh được sản xuất cho thị trường mạng di động sử dụng công nghệ GSM. Chúng giúp tối ưu công suất thu phát, giảm nhiễu. Nhưng cho đến nay việc sử dụng Anten thông minh trong mạng GSM vẫn còn rất hạn chế. Đây không phải bởi lý do công nghệ mà bởi công nghệ GSM sử dụng đa truy nhập theo thời gian (TDMA) và quản lý vị trí tần số. Điều này có nghĩa là mỗi kênh vô tuyến có một khe thời gian và một băng tần. Không có sự can nhiễu giữa những người dùng trong một ô (cell) trạm phát. Giống như hai người nói chuyện với nhau trong một căn phòng vắng không có tiếng ồn của những cuộc hội thoại khác. Điều này có nghĩa là lợi ích của Anten thông minh trong mạng GSM là rất hạn chế.1.3.2. Anten thông minh trong mạng 3G : Bởi Anten thông minh giúp tăng công suất thu và giảm nhiễu nên điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với các mạng di động 3G sử dụng công nghệ CDMA. CDMA (Code Division Multiple Access) chia phổ tần bằng cách xác định mỗi kênh vô tuyến trong một trạm thu phát và thuê bao bằng một mã số. Thuê bao chỉ được nhận ra bằng mã của mình. Tín hiệu thu và phát từ những máy di động khác (với những mã khác) đối với một máy điện thoại di động chính là nhiễu. Cho nên, càng nhiều điện thoại trong một vùng phủ sóng của trạm thu phát thì nhiễu càng nhiều. Điều đó làm giảm số điện thoại di động mà trạm thu phát có thể phục vụ được. Tất cả các tiêu chuẩn điện thoại 3G (UMTS, cdma2000 và TD-SCDMA .) đều sử dụng công nghệ CDMA. Đối với những hệ thống CDMA, Anten thông minh giúp giảm nhiễu trong một ô bởi vì nó tăng công suất phát để duy trì tất cả các kênh vô tuyến từ trạm phát tới mọi thuê bao. Điều này đặc biệt quan trọng khi nhu cầu tốc độ số liệu cao ngày càng tăng. Một kênh vô tuyến tốc độ cao cần mức công suất cao gấp 10 lần một kênh thoại trong mạng GSM. Tăng mức công suất để duy trì một kênh vô tuyến cũng có nghĩa là giảm khả năng phục vụ các thuê bao còn lại trong ô cũng như từ các ô liền kề. Anten thông minh giảm sự can nhiễu bằng 2 cách:10 [...]... P(i)=10*log(1/real(conj(E0)*E*E'*E0.')); end theta=0:.01:180; plot(theta,P); 3.2 Sự ảnh hưởng của các tham số đến kết quả của thuật toán MUSIC : 3.2.1 Ảnh hưởng của tham số dlamda ( d/ λ : khoảng cách giữa các phần tử anten trên bước sóng sử dụng ) : Thông số dlamda là một thông số ảnh hưởng khá lớn đến kết quả thuật toán Về mặt toán học, thông số này ảnh hưởng đến từng thành phần của véctơ hướng qua phương trình : a(φ... Sự ảnh hưởng của số phần tử anten và số nguồn tín hiệu tới độ chính xác của thuật toán MUSIC : Khi nghiên cứu lý thuyết về thuật toán MUSIC chúng ta đã biết rằng để thuật toán MUSIC có thể thực hiện được thì nhất thiết phải có điều kiện số phần tử anten lớn hơn số nguồn tín hiệu ( Ne > D ) Nhưng lớn hơn bao nhiêu là vừa, và sự tương quan giữa 2 thông số này ảnh hưởng như thế nào đến kết quả thuật toán. .. N(t) Thuật toán ước lượng góc sóng tới MUSIC Hình 2.5 sơ đồ mô phỏng thuật toán MUSIC Việc khảo sát các thông số ảnh hưởng đến kết quả của thuật toán sẽ được thực hiện bằng cách đặt giả thiết các góc tới ban đầu cố định, sau đó thay đổi các 25 tham số cần khảo sát như khoảng cách giữa các phần tử trong dàn anten chia cho bước sóng sử dụng, mối tương quan giữa số phần tử trong mảng anten và số nguồn tín... tại phần tử thứ i Khi các biến không tương quan, thuật toán MLM cho kết quả khá tốt 2.3 Thuật toán MUSIC : 17 MUSIC là thuật toán sử dụng các phép toán mà trận để tìm ra DOA bằng cách phân loại các nguồn tín hiệu đi tới từng phần tử anten theo góc độ không gian Thuật toán này cho phép xác định số lượng nguồn phát, cường độ của tín hiệu và công suất nhiễu 2.4 So sánh các thuật toán : Kết quả mô phỏng... định hướng sóng tới 2.6 Bài toán mô phỏng : Bài toán mô phỏng một cách đầy đủ phải bao gồm các thành phần : 24 - Các nguồn phát - Không gian truyền sóng - Hệ thống thu - Xử lý tín hiệu Trong phạm vi nghiên cứu đến việc ảnh hưởng của các thông số đến thuật toán tìm hướng sóng đến MUSIC, thay vì phải mô phỏng đầy đủ các thành phần kể trên, ta chỉ giả định các hướng sóng tới, theo đó xây dựng các véctơ chỉ... lượng hướng sóng tới ( DOA) trong trường hợp các góc tới bằng 30 o và 60 o của ba thuật toán trên được trình bày ở hình dưới : Hình 2.1a thuật toán ước lượng phổ Hình 2.1b thuật toán khả năng lớn nhất Hình 2.1c Thuật toán MUSIC 18 Từ kết quả trên ta có thể thấy được thuật toán DOA cho kết quả chính xác vượt trội so với 2 thuật toán ước lượng phổ và khả năng lớn nhất 2.5.Ứng dụng thuật toán MUSIC xác định... được hướng của búp sóng tới Quá trình nghiên cứu và phát triển anten thông minh đã đưa ra được một số loại thuật toán ước lượng hướng sóng tới như thuật toán ước lượng phổ, thuật toán khả năng lớn nhất và đặc biệt được ứng dụng rộng rãi với độ chính xác cao là thuật toán MUSIC 2.1 .Thuật toán ước lượng phổ: Trên cơ sở nếu ta ước lượng được ma trận tự tương quan đầu vào và biết các véctơ hướng a(φ), thì... của thuật toán 26 CHƯƠNG III KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THUẬT TOÁN MUSIC 3.1 Xây dựng chương trình để giải quyết thuật toán MUSIC bằng ngôn ngữ matlab: Chúng ta sẽ lần lượt giải quyết bài toán qua các bước sau : - Bước 1 : Giả thiết ban đầu về số nguồn D, số phần tử của mảng anten Ne và số mẫu quan sát hay có thể coi như là số bit tín hiệu gửi về từ nguồn tới mảng ( càng cao càng tốt do mang... hướng các tín hiệu này, bộ xử lý tín hiệu thích nghi phải bao hàm một số thuật toán để tìm ra hướng sóng đến, thuật toán được dùng phổ biến với độ chính xác cao đó là thuật toán MUSIC ( Multiple Signal Classification algorithm ) Thuật toán này do Schmidt đề xuất năm 1979, đạt được độ phân giải cao khi phát hiện và phân loại nhiều sóng đến đồng thời 15 CHƯƠNG II MỘT SỐ THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG HƯỚNG SÓNG TỚI... tính toán công suất, tăng dung lượng phục vụ 1.3.3 Ứng dụng của anten thông minh trong việc xác định vị trí : Bằng cách xác định được hướng sóng tới từ anten phát tới ít nhất 2 hệ anten thu ta có thể xác định được vị trí của anten phát từ giao điểm của 2 hướng đó Việc xác định hướng được thực hiện với một số thuật toán như thuật toán ước lượng phổ, thuật toán khả năng lớn nhất hay phổ biến nhất là thuật . nghiên cứu tới các tham số ảnh hưởng đến thuật toán music, là một thuật toán phổ biến dùng để xác định hướng sóng tới từ các nguồn tín hiệu. Các tham số. nhiều thuật toán được đề ra để xử lý phát hiện ra sóng tới như thuật toán ước lượng phổ, thuật toán khả năng lớn nhất, thuật toán MUSIC Trong đó thuật toán