Từ kết quả này ta thấy rằng khi giảm số bƣớc chia góc (từ 0.005 xuống 0.001) thì các đỉnh tƣơng ứng với hƣớng tới của tín hiệu sẽ nhọn, độ cao của các đỉnh đều hơn nên có độ chính xác cao hơn khi xác định vị trí của các đỉnh. Việc đánh giá ƣu điểm của thuật tốn MUSIC sử dụng tính tốn song song dựa trên thời gian thực hiện thuật toán với một số lần nhất định thông qua việc ghi lại số liệu về thời gian thực hiện tính tốn với nhiều trƣờng hợp. Ở đây chỉ xét 5 lần thực hiện thuật toán cho thấy thời gian thực hiện đƣợc cải thiện đáng kể. Các kết quả này đƣợc ghi trong Bảng 2.6 và Bảng 2.7.
Bảng 2.6 Số liệu về thời gian tính tốn (s) của thuật tốn MUSIC sử dụng tính tốn song song trong trường hợp =0.005
Lần thực hiện
Tính tốn thƣờng (s)
Tính tốn song song (s)
2 máy 3 máy 4 máy
1 5.22 2.38 0.94 1.24 2 5.26 2.36 0.94 1.23 3 5.26 2.33 0.96 1.27 4 5.21 2.39 0.97 1.27 5 5.21 2.30 0.97 1.21 Trung bình 5.24 2.35 0.96 1.25
Bảng 2.7 Số liệu về thời gian tính tốn (s) của thuật tốn MUSIC sử dụng tính tốn song song trong trường hợp =0.001
Lần thực hiện
Tính tốn thƣờng (s)
Tính tốn song song (s)
2 máy 3 máy 4 máy
1 256.70 46.14 8.65 4.75 2 256.03 46.42 8.03 4.74 3 256.27 46.91 8.84 4.39 4 256.04 46.79 8.93 4.65 5 256.09 46.95 8.67 4.17 Trung bình 256.23 46.64 8.63 4.54
Để tiện cho việc theo dõi các số liệu này, ta sẽ biểu diễn chúng trên các đồ thị trong Hình 2.25 và Hình 2.26.
Hình 2.25 Thời gian tính tốn của thuật tốn MUSIC với =0.005 trong các trường hợp: sử dụng từ 1 đến 4 máy tính.
Hình 2.26 Thời gian tính tốn của thuật tốn MUSIC với =0.001 trong các trường hợp: sử dụng từ 1 đến 4 máy tính.
sử dụng tính tốn song song thì thời gian tính tốn của thuật toán giảm đi đáng kể so với trƣờng hợp tính tốn tuần tự thông thƣờng. Tuy nhiên, trong trƣờng hợp sử dụng tính tốn song song với =0.005 ta thấy khi sử dụng 4
máy tính có thời gian tính tốn nhiều hơn so với chỉ sử dụng 3 máy tính. Điều này trái với định luật Amdahl, nhƣng có thể dễ dàng giải thích bởi phƣơng trình (2.31). Trong trƣờng hợp này, do lƣợng thông tin cần trao đổi giữa máy chủ và các máy con lớn nên nó làm giảm hiệu quả của việc sử dụng tính tốn song song.
Nhƣ vậy, với các kết quả ban đầu về sử dụng tính tốn song song đối với thuật toán MUSIC trong bài toán ƣớc lƣợng hƣớng tới tín hiệu đã cho thấy hiệu quả của phƣơng pháp đề xuất.
Các kết quả nghiên cứu về sử dụng phƣơng pháp tính tốn song song cho thuật tốn MUSIC đã đƣợc tác giả công bố trong bài báo “Fast and High Resolution In Direction of Arrival Estimation Using Parallel MUSIC” đăng trong tập san IET tại hội nghị “International Conference on Automatic Control and Artificial Intelligence (ACAI 2012)” và bài báo “Research and comparison of performance of direction of arrival algorithms for smart antenna system” đăng trong tạp chí khoa học, VNU (2012).
2.3 Kết luận chƣơng 2
Trong chƣơng 2 luận án đã tập trung nghiên cứu về các phƣơng pháp tối ƣu hóa q trình xử lý tín hiệu số cho anten mạng pha ở tuyến thu của Ra đa. Những kết quả thu đƣợc là những đóng góp mới cho cơng nghệ xây dựng phần mềm xử lý cho anten mạng pha số ở tuyến thu của Ra đa, thơng qua việc sử dụng phƣơng pháp tính tốn song song cho thuật toán di truyền (thuật toán di truyền song song) và cho thuật toán MUSIC (thuật toán MUSIC song song). Các kết quả đạt đƣợc cụ thể của chƣơng này có thể đƣợc tóm tắt trong
các phần sau:
Đề xuất ứng dụng thuật toán di truyền có thể sử dụng phƣơng pháp tính song song cho việc xử lý tín hiệu, nhằm tăng tính chính xác, độ chọn lọc khi xác định hƣớng đến của nguồn tín hiệu.
Đề xuất sử dụng thuật tốn MUSIC đƣợc song song hóa từ phần để tính tốn ƣớc lƣợng hƣớng tới của tín hiệu thu bằng anten mạng pha.
Những đề xuất trên đƣợc tác giả xây dựng thuật tốn và lập trình mơ phỏng trên nền tảng Matlab. Kết quả tính tốn cho thấy sự phù hợp của chúng với các luận cứ đƣợc đề xuất và lựa chọn bởi tác giả.
Những đóng góp mới của chƣơng 2 về mặt khoa học đã đƣợc thể hiện trong các cơng trình đã cơng bố trong 4 bài báo ở tạp chí khoa học trong nƣớc [1, 4, 8, 9] và 2 bài báo ở hội nghị khoa học quốc tế [5, 6], góp phần bổ sung vào lý thuyết cũng nhƣ công nghệ ứng dụng anten mạng pha số.
CHƢƠNG 3 XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẶC TRƢNG HƢỚNG NHANH SỬ DỤNG KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG SỐ
Chƣơng 3 của luận án đề xuất một phƣơng pháp mới để đo nhanh đặc trƣng hƣớng của anten mạng pha số dựa trên kỹ thuật tạo búp sóng số.
3.1 Phƣơng pháp đo lƣờng anten
Theo lý thuyết anten, môi trƣờng xung quanh anten đƣợc chia làm 2 vùng: trƣờng gần và trƣờng xa (Hình 3.1). Trong đó, trƣờng gần hay cịn gọi là vùng Fresnel là vùng mà các sóng bức xạ đƣợc mơ tả dƣới dạng sóng cầu, cịn trƣờng xa hay cịn gọi là vùng Fraunhofer là vùng mà các sóng bức xạ đƣợc mơ tả dƣới dạng sóng phẳng. Thơng thƣờng 2 vùng này đƣợc phân chia bởi khoảng cách R 2D2
.
Trong đó: R : khoảng cách từ nguồn tín hiệu đến anten D : tiết diện hiệu dụng của anten
λ : bƣớc sóng của tín hiệu
Hình 3.1 Mơ tả trường xa và trường gần của anten
Tuy nhiên, ranh giới này chỉ mang tính chất tƣơng đối. Trong thực nghiệm thƣờng thì khoảng cách trƣờng xa thƣờng đƣợc xác định với
2
2D
R
Đối với anten ra đa, cự ly đến nguồn tín hiệu (mục tiêu) thƣờng lớn hơn rất nhiều so với khoảng cách giới hạn nên hầu nhƣ ngƣời ta chỉ xét trong trƣờng xa. Vì thế khi ta xét đến đặc trƣng hƣớng của anten là nói đến đặc trƣng hƣớng ở vùng trƣờng xa.
Vì vậy, vấn đề về đo, kiểm tra đặc trƣng hƣớng trong công nghệ chế tạo anten, đặc biệt là anten mạng pha số là một việc bắt buộc khơng thể thiếu. Hiện nay có hai phƣơng pháp chính để đo đặc trƣng hƣớng của anten mạng pha số. Đó là: Đo trực tiếp trƣờng xa hoặc đo gián tiếp qua trƣờng gần, sau đó sử dụng phần mềm biến đổi trƣờng gần - trƣờng xa để vẽ đặc trƣng hƣớng của anten ở trƣờng xa.
Trong chƣơng này luận án nghiên cứu và đề xuất một phƣơng pháp có thể xác định nhanh và tƣơng đối chính xác đặc trƣng hƣớng của anten mạng pha số khác với các phƣơng pháp hiện hữu với chi phí rất thấp.
3.1.1 Đo trực tiếp trƣờng xa
Phƣơng pháp này đƣợc mơ tả trong Hình 3.2. Ở đây, anten cần đo đƣợc đặt đối diện với một anten chuẩn (thƣờng là anten không định hƣớng và có đặc trƣng xác định) trong một buồng hấp thụ để tránh các sóng phản xạ. Điều kiện ở đây là phòng phải đủ lớn để thỏa mãn điều kiện trƣờng xa. Anten cần đo sẽ đƣợc quay lần lƣợt từng góc để kiểm tra tồn bộ khơng gian [26].
Hình 3.2 Sơ đồ đo giản đồ hướng trực tiếp từ trường xa
Dễ dàng thấy rằng đây là phƣơng pháp có độ chính xác tốt nhất, cho trực tiếp kết quả về đặc trƣng hƣớng mà khơng cần phải có những biến đổi phức
tạp. Tuy nhiên do điều kiện về trƣờng xa nên phƣơng pháp này không phải lúc nào cũng thực hiện đƣợc nhất là khi kích thƣớc của anten lớn. Ngồi ra, việc kiểm tra từng góc cũng khơng phải là một công việc có thể thực hiện đƣợc dễ dàng, nhất là khi yêu cầu thời gian có hạn.
Với những phân tích trên, phƣơng pháp này chủ yếu đƣợc áp dụng để đo đặc trƣng hƣớng của anten vơ hƣớng hoặc có búp sóng chính rất rộng.
3.1.2 Đo gián tiếp qua trƣờng gần
Đƣợc mơ tả trong Hình 3.3. Ta thấy vì nguyên lý phƣơng pháp này cơ bản giống với phƣơng pháp đo trực tiếp trƣờng xa. Tuy nhiên khoảng cách giữa anten cần đo và anten chuẩn gần hơn, đảm bảo có thể thực hiện đƣợc trong mơi trƣờng phịng thí nghiệm. Ngồi ra, ngun lý cịn địi hỏi phải có một phép biến đổi từ biểu đồ đặc trƣng trƣờng gần thành đặc trƣng trƣờng xa, nó địi hỏi tính tốn tƣơng đối phức tạp và thƣờng đƣợc thực hiện trên các máy tính chun dụng.
Hình 3.3 Sơ đồ ngun lý đo trường gần
Thông thƣờng, để đo đặc trƣng theo trƣờng gần thì ta thƣờng dịch chuyển anten theo 3 phƣơng pháp chính (Hình 3.4) [65 - 68, 74, 75] tạo nên 3 mơ hình khác nhau của phƣơng pháp đo trƣờng gần: Đo theo mặt phẳng [55, 56, 64, 69], đo theo mặt trụ [24, 57] và đo theo mặt cầu [41, 58, 59].
a b c
Hình 3.4 Ba phương pháp dịch chuyển trong đo trường gần a) Dịch chuyển theo mặt phẳng;
b) Dịch chuyển theo mặt trụ; c) Dịch chuyển theo mặt cầu
Trong 3 phƣơng pháp đó thì mỗi phƣơng pháp đều có những ƣu điểm và hạn chế riêng. Phƣơng pháp dịch chuyển mặt cầu cho kết quả tốt nhất nhƣng lại có khối lƣợng tính tốn lớn nên thƣờng đƣợc sử dụng với các loại anten có hệ số khuếch đại thấp, có đặc trƣng hƣớng phức tạp. Phƣơng pháp dịch chuyển theo mặt trụ thì có khối lƣợng tính tốn ít hơn và có độ chính xác tƣơng đối, thƣờng đƣợc sử dụng cho anten mà góc ngẩng cố định. Cịn phƣơng pháp dịch chuyển trong mặt phẳng có khối lƣợng tính tốn thấp nhất, là phƣơng pháp đơn giản nhất nhƣng độ chính xác của phƣơng pháp này không tốt bằng. Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng với anten có độ lợi cao và các anten định hƣớng.
So với nguyên lý đo trực tiếp trƣờng xa thì phƣơng pháp đo gián tiếp thơng qua trƣờng gần có ƣu điểm là có thể thực hiện trong phạm vi hẹp của phịng thí nghiệm nên có thể dễ dàng loại bỏ ảnh hƣởng của các tín hiệu phản xạ và mơi trƣờng ngồi tác động vào, làm cho chi phí thực hiện đo đạc thấp hơn. Tuy nhiên nó có nhƣợc điểm là cần phải biến đổi, tính tốn phức tạp hơn, có độ chính xác tƣơng đối, khơng cao nhƣ dùng phƣơng pháp đo trực
tiếp trƣờng xa.
3.1.3 Một số phƣơng pháp đo đặc trƣng hƣớng tự động
Từ 2 phƣơng pháp cơ bản trên, nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã cải tiến để chế tạo ra các hệ thống đo tự động nhằm tiết kiệm thời gian đo, nâng cao độ chính xác của các phƣơng pháp. Sau đây là một số hệ thống đo tự động đƣợc biết.
3.1.3.1 Hệ thống đo trường gần trong mặt cầu
D. W. Hess cùng với đồng nghiệp [41] đã xây dựng hệ thống đo lƣờng trƣờng gần trong mặt cầu. Sơ đồ chi tiết của hệ thống này đƣợc mơ tả trong Hình 3.5. Trong đó, anten chuẩn đƣợc đặt trên một rãnh hình cầu có thể dịch chuyển đƣợc, anten cần đo đƣợc đặt ở tâm mặt cầu, anten này có thể quay ngang đƣợc để có thể đo với các góc phƣơng vị khác nhau. Ngồi ra hệ thống gồm các hệ thu phát sóng điện từ để thu tín hiệu và quan trọng nhất là hệ thống máy tính MI-3000 để phân tích các tín hiệu thu đƣợc, thực hiện chuyển đổi để xây dựng đặc trƣng hƣớng trƣờng xa của anten cần đo.
Hình 3.5 Mơ hình đo đặc trưng hướng gián tiếp từ trường gần qua phân tích tín hiệu trên mặt cầu[41]
Trong một lần đo, anten chuẩn sẽ thực hiện việc dịch chuyển trên máng cầu để xây dựng giản đồ hƣớng ứng với một góc phƣơng vị cố định, sau đó anten cần đo sẽ đƣợc quay đi một góc nhỏ và anten chuẩn lại lặp lại q
trình đo của nó. Q trình tiếp tục cho đến khi hồn thành q trình đo đặc trƣng hƣớng cho anten.
Phƣơng pháp này có ƣu điểm là có thể đo tự động hồn tồn và có độ chính xác cao đặc trƣng hƣớng của anten, đồng thời, phƣơng pháp này thực hiện đo gián tiếp trƣờng gần nên có thể thực hiện đƣợc trong phạm vi phịng thí nghiệm.
3.1.3.2 Hệ thống đo tự động ORBIT/FR
Hệ thống này đƣợc nghiên cứu và phát triển bởi nhóm nghiên cứu của Lior Shmidov tại Israel [49]. Tồn bộ hệ thống đƣợc mơ tả trong Hình 3.6
Trong hệ thống này, anten chuẩn (probe) có thể di chuyển một cách chính xác trên một mặt phẳng song song, đối diện với anten cần đo nhờ vào hệ thống điều khiển mơ tơ bƣớc. Trong q trình đo, anten chuẩn sẽ đƣợc di chuyển trên tồn mặt phẳng, các tín hiệu sẽ đƣợc tự động ghi lại và tính tốn ra thơng tin đặc trƣng trƣờng xa của anten.
Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống đo đặc trưng hướng anten ORBIT/FR [49]
Với hệ thống nhƣ vậy, nhóm tác giả của Lior Shmidov đã đƣa ra các kết quả trong Hình 3.7. Các kết quả thu đƣợc có độ chính xác chƣa cao nhƣng cũng đủ để có thể đánh giá đƣợc chất lƣợng anten trong quá trình sản xuất.
Nhìn chung phƣơng pháp có thể thực hiện đƣợc việc đo tự động hoàn toàn nhƣng vẫn phải dịch chuyển anten chuẩn (probe) nên vẫn cần nhiều thời gian để thực hiện quá trình đo đạc.
Trong các hệ thống tự động dùng để đo đặc trƣng hƣớng của anten kể trên, bên cạnh những phƣơng pháp đƣa ra đặc trƣng hƣớng với độ chính xác rất cao cịn có những phƣơng pháp đƣa ra kết quả gần đúng. Nhƣng đều có điểm chung là thời gian tiến hành đo đạc rất lâu vì phải thực hiện việc xoay cơ trong toàn bộ khơng gian phía trƣớc anten.
Trên cơ sở nghiên cứu hệ thống tính tốn số và vấn đề tạo búp sóng cho anten mạng pha số, luận án đề xuất một phƣơng pháp có thể đo nhanh đặc trƣng hƣớng với chi phí thấp vì hồn tồn có thể loại bỏ phần quay cơ học.
3.2 Sử dụng kỹ thuật tạo búp sóng số để đo nhanh đặc trƣng hƣớng của anten mạng pha số bằng phƣơng pháp quay pha anten mạng pha số bằng phƣơng pháp quay pha
Trong mục này, luận án sẽ trình bày một phƣơng pháp đo đặc trƣng hƣớng có thể áp dụng cho anten mạng pha số để kiểm tra chất lƣợng trong quá trình sản xuất sử dụng kỹ thuật tạo búp sóng số.
3.2.1 Thuật tốn tạo búp sóng số bằng quay pha số
Khảo sát mạng anten gồm N phần tử tuyến tính, cách đều
1. z1 h1 2. z2 h2 3. z3 h3 N. zN hN y
Hình 3.8 Sơ đồ khối của anten mạng pha số
1 2 ... n s s s s (3.1)
Các tín hiệu thu nhận đƣợc là sóng điện từ, coi tín hiệu thu đƣợc ở phần tử k là sk có dạng: 0 k i t k s t s e (3.2) Trong đó, s0 là biên độ cực đại, là tần tốc góc, t là thời gian và k là
pha ban đầu của tín hiệu thu trên phần tử k.
Khi đó tín hiệu tổng hợp S thu đƣợc trên tồn bộ anten gồm N phần tử là: 0 1 1 S k N N i i t k k k s s e e (3.3)
Coi tín hiệu tới từ góc , khi đó độ lệch pha của tín hiệu giữa hai phần tử anten liên tiếp bất kỳ là:
2 sin d (3.4)
Đối với anten mạng pha số ta có thể thực hiện quay pha bằng cách nhân thêm vào tín hiệu một ma trận phức w để thay đổi pha của tín hiệu thu đƣợc.
Ở đây w có dạng:
1 2 ... i n
i i
T
w e e e (3.5)
Ở đây T là ký hiệu chuyển vị ma trận. Do đó, w có dạng cột để thuận tiện cho việc nhân ma trận khi tác động vào ma trận tín hiệu thu đƣợc từ các phần tử anten.
Do vậy khi ta sử dụng các hệ thống xử lý tín hiệu số để nhân w với ma
trận tín hiệu s ta đƣợc đặc trƣng hƣớng của tín hiệu v:
0 1 . k k n i i t k v w s s e e (3.6) Từ (3.4) ta có:
arcsin 2 f k